CN114221763A - 一种基于超纠缠辅助的一步设备无关量子安全直接通信方法 - Google Patents

一种基于超纠缠辅助的一步设备无关量子安全直接通信方法 Download PDF

Info

Publication number
CN114221763A
CN114221763A CN202111551445.5A CN202111551445A CN114221763A CN 114221763 A CN114221763 A CN 114221763A CN 202111551445 A CN202111551445 A CN 202111551445A CN 114221763 A CN114221763 A CN 114221763A
Authority
CN
China
Prior art keywords
alice
bob
photon
freedom
super
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202111551445.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114221763B (zh
Inventor
周澜
盛宇波
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nanjing University of Posts and Telecommunications
Original Assignee
Nanjing University of Posts and Telecommunications
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nanjing University of Posts and Telecommunications filed Critical Nanjing University of Posts and Telecommunications
Priority to CN202111551445.5A priority Critical patent/CN114221763B/zh
Publication of CN114221763A publication Critical patent/CN114221763A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114221763B publication Critical patent/CN114221763B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L9/00—Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols
    • H04L9/08—Key distribution or management, e.g. generation, sharing or updating, of cryptographic keys or passwords
    • H04L9/0816—Key establishment, i.e. cryptographic processes or cryptographic protocols whereby a shared secret becomes available to two or more parties, for subsequent use
    • H04L9/0852—Quantum cryptography
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/70—Photonic quantum communication
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02D—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THEIR OWN ENERGY USE
    • Y02D30/00—Reducing energy consumption in communication networks
    • Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Computer Security & Cryptography (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Optical Communication System (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

一种基于超纠缠辅助的一步设备无关量子安全直接通信方法，接收端制备超纠缠双光子对，拆为两条序列，并随机选取安全性检测光子对；接收端将其中一条序列发给发送端；接收端公布安全性检测光子对位置，双方进行设备无关安全性检测。若安全性检测通过，发送端对剩余超纠缠光子在极化自由度进行编码操作。双方实施非局域贝尔态测量，发送端公布测量结果。接收端根据双方测量结果区分极化自由度的四种贝尔态，读取发送端传递的秘密信息，实现量子通信。本方法能够抵御所有来自不完美设备端的攻击，增强通信安全性；只需要传输一轮光子，简化操作，降低信息丢失，延长安全通信距离；对推动DI‑QSDC实用化有重要意义，在未来量子安全直接通信领域有重要应用。

Description

一种基于超纠缠辅助的一步设备无关量子安全直接通信方法
技术领域
本发明属于量子通信技术领域，具体涉及一种基于超纠缠辅助的设备无关量子安全直接通信方法。
背景技术
量子通信是利用量子力学的基本原理来进行信息传递的方式。量子通信的安全性基于量子力学基本原理，包括不可克隆定理，纠缠的非定域性，不确定关系等。任何窃听者的窃听行为将破坏发送粒子的状态，从而可被通信方发现。因此，量子通信具有绝对安全性，这是量子通信区别于经典通信的最大优势。
量子安全直接通信(QSDC)是量子通信的重要分支。QSDC无需密钥，可直接通过量子信道传输秘密信息。QSDC在理想条件下具有绝对安全性，然而，与其他量子通信方案类似，在实际不完美实验条件下，QSDC存在安全漏洞，窃听者利用安全漏洞可以窃听到传输的秘密信息而不被发现。第一个设备无关量子安全直接通信(DI-QSDC)于2020年提出，DI-QSDC可将所有设备视为黑匣子，不关心匣子里的具体运行过程，只通过黑匣子的经典输入输出值违背贝尔不等式来保证通信的安全性。DI-QSDC可抵御所有针对不完美设备端的攻击，为QSDC在实际实验条件下提供了最高的安全性。DI-QSDC方案中，纠缠光子对需要通过两轮光子传输发送给接收端才能实现安全通信。两轮光子传输过程中，信道噪声对通信造成较大影响，导致通信效率较低，同时信息丢失率和错误率较高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于超纠缠辅助的DI-QSDC方法，只需要传输一轮光子就能够进行设备无关量子安全直接通信。
一种基于超纠缠辅助的设备无关量子安全直接通信方法，包括如下步骤：
步骤1：信息接收端Bob分别制备相同的用于量子通信的空间(s)-极化(p)超纠缠双光子对，并随机选取一部分光子对作为安全性检测光子对，Bob将每对超纠缠光子对拆分为两条光子序列，其中每条序列包含超纠缠光子对中的一个光子，Bob将其中一条光子序列中的所有光子通过量子信道发送给信息发送端Alice；
步骤2：信息发送端Alice接收到光子后，告知接收端Bob，Bob公布安全性检测光子对的位置；
步骤3：对于每一个安全性检测光子对，发送端Alice和接收端Bob在两个自由度上分别随机地从测量基中选择一组对各自手中的光子进行测量，测量完成后，双方公布每个安全性检测光子在两个自由度上的测量基选择和测量结果，用于估算CHSH多项式S的值；若有其中一个或两个自由度的S值小于2，则说明光子传输过程不安全，通信终止；若两个自由度的S的值均大于2，则说明光子传输过程安全，通信继续；
步骤4：发送端Alice对手中剩下的超纠缠光子在极化自由度上进行编码操作；
步骤5：编码完成后，Alice和Bob对手中的光子进行非局域极化完全贝尔态测量；测量完成后，Alice公布其位置处的探测器响应情况；
步骤6：接收端Bob根据Alice和自己位置处的探测器响应情况，推测出双方在极化自由度上共享的量子态，从而得到发送端Alice的编码操作信息，实现发送端Alice与接收端Bob间的量子通信。
进一步地，步骤1中，信息接收端Bob制备处于
Figure BDA0003417300200000031
的空间极化超纠缠光子对，其中
Figure BDA0003417300200000032
和
Figure BDA0003417300200000033
分别属于极化和空间的四个贝尔态之一：
Figure BDA0003417300200000034
Figure BDA0003417300200000035
其中，H,V代表光子的水平极化和垂直极化，b1、b2、b1’、b2’代表Bob处不同的空间模式。
Bob随机选取一部分光子对作为安全性检测光子对，并将每个超纠缠光子中的一个光子发送给信息发射端Alice。
进一步地，步骤2中，信息发射端Alice接收到光子后，采用量子存储器存储接收到光子，并采用经典通信方式告知Bob已经接收到光子。
进一步地，步骤3包括如下步骤：
步骤3-1，Alice和Bob分别随机选择测量基对手中的安全性检测光子进行测量；
其中，在极化和空间自由度上，Alice均有四组测量基，包括：
Figure BDA0003417300200000041
Bob均有两组测量基，包括B1＝A0,B2＝A3，其中，σz和σx为泡利矩阵：
Figure BDA0003417300200000042
双方在所有测量基下的测量结果为+1或-1；如果一方的光子丢失，则测量结果随机地记为+1或-1；双方与测量基对应的测量结果分别记为
A'＝{A0',A1',A2',A3'}，B'＝{B1',B2'}；
步骤3-2，双方公布每个安全性检测光子对在两个自由度上的测量基选择和测量结果，分四种情况；
第一种情况，在任一自由度上，当Alice选择A1或A2测量基时，Alice和Bob的测量结果用于估算该自由度上的CHSH多项式的值：
Sp＝<A1p'B1p'>+<A1p'B2p'>+<A2p'B1p'>-<A2p'B2p'>,
Ss＝<A1s'B1s'>+<A1s'B2s'>+<A2s'B1s'>-<A2s'B2s'>.
其中，<Aip(s)'Bjp(s)'>＝P(Aip(s)'＝Bjp(s)'|ij)-P(Aip(s)'≠Bjp(s)'|ij)，表示当Alice和Bob选择Ai和Bj测量基时得到的测量结果相同的概率减去测量结果不同的概率；
第二种情况，在任一自由度上，当Alice选择A0而Bob选择B1测量基时，双方的测量结果用于估算光子传输过程中造成的比特翻转错误率Qp(s)1：
Qp1＝P(A0p'≠B1p')，Qs1＝P(A0s'≠B1s')
第三种情况，在任一自由度上，当Alice选择A3而Bob选择B2测量基时，双方的测量结果用于估算光子传输过程中造成的相位翻转错误率Qp(s)2：
Qp2＝P(A3p'≠B2p')，Qs2＝P(A3s'≠B2s')
第四种情况，在任意自由度，当Alice选择A0而Bob选择B2测量基，或Alice选择A3而Bob选择B1测量基时，双方将测量结果抛弃；
步骤3-3，当两个自由度的S均大于2时，认为光子传输过程安全，通信继续；由于空间纠缠比极化纠缠更能抵御噪声，所以有Ss＞Sp，所以窃听者所能窃听到的最大光子数比率IAE为：
Figure BDA0003417300200000051
其中h(x)为二进制香农熵：
h(x)＝-xlog2(x)-(1-x)log2(1-x).。
进一步地，步骤4中，安全性检测通过后，信息发送端Alice从量子存储器中提取出剩下的光子，在极化自由度上进行单量子比特幺正操作，在空间自由度上不做处理；单量子比特幺正操作包括：
U0＝|H><H|+|V><V|,U1＝|H><H|-|V＞＜V|,
U2＝|H＞＜V|+|V><H|,U3＝|H><V|-|V><H|,
U0,U1,U2,U3分别能将
Figure BDA0003417300200000052
演化为
Figure BDA0003417300200000053
U0,U1,U2,U3分别代表00,01,10,11四种经典信息。
进一步地，步骤5中，非局域极化完全贝尔态测量方法包括：使用单光子探测器，利用空间自由度上的纠缠辅助实现极化自由度上的完全贝尔态测量，双方记录探测到光子的单光子探测器的编号，发送端Alice公布其位置处的探测器响应情况。
进一步地，步骤6中，信息接收端Bob根据Alice公布的探测器响应的情况和自己位置处的探测器响应情况，判断出双方共享的光子对处于哪一个极化贝尔态，进行解码，从而读出Alice的编码信息。具体的探测器响应情况对应的极化贝尔态及编码信息如下：极化贝尔态及编码信息为
Figure BDA0003417300200000061
探测器响应情况为D1D5,D2D6,D3D7,D4D8；极化贝尔态及编码信息为
Figure BDA0003417300200000062
探测器响应情况为D1D6,D2D5,D3D8,D4D7；极化贝尔态及编码信息为
Figure BDA0003417300200000063
探测器响应情况为D1D7,D2D8,D3D5,D4D6；极化贝尔态及编码信息为
Figure BDA0003417300200000064
探测器响应情况为D1D8,D2D7,D3D6,D4D5。进一步地，所述初始光子对在两个自由度上的量子态为公开信息，编码后的量子态以及Alice的编码操作仅发送端Alice和接收端Bob知道，以保证信息传递的安全性。
进一步地，若光子在传输过程中任一自由度发生错误，导致Bob读取出错误的信息；若光子在两个自由度上发生了相同种类的错误，则Bob仍可以根据双方的探测器响应情况读取出Alice传递的正确的秘密信息，因此，通信双方根据Qp1，Qp2，Qs1，Qs2的值估算该方案的总错误率为：
Qpt＝1-(1-Qp1-Qp2)(1-Qs1-Qs2)-Qp1Qs1-Qp2Qs2
＝Qs1+Qs2+Qp1+Qp2-Qp1Qs2-Qp2Qs1-2Qp1Qs1-2Qp2Qs2。
进一步地，通信双方估算通信的安全信息容量Cs：
Figure BDA0003417300200000071
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果包括：
(1)本发明采取了设备无关安全性检测，可抵御所有来自不完美设备端的攻击，降低对实验设备的安全性要求，理论上使得窃听者无法获取任何有效信息，保证了传输过程的安全可靠性；
(2)本发明使用的所有超纠缠光子对同时在极化自由度和空间自由度上存在纠缠，本发明利用超纠缠光子对在极化自由度上的纠缠进行编码，利用空间自由度上的纠缠辅助实现极化自由度的完全贝尔态测量，能够完全区分极化自由度上的四个贝尔态，从而实现高效准确的解码；
(3)本发明只需要对光子进行一轮传输，就能够从每个超纠缠光子对中获取两个比特的信息，并且能够实现通信双方间的双向安全通信，简化了通信程序。同时能有效降低信息传输丢失率，并延长安全通信距离。
附图说明
图1是本发明实施例中的一种基于超纠缠辅助的设备无关量子安全直接通信方法的流程图。
图2是本发明实施例中的一种基于超纠缠辅助的设备无关量子安全直接通信方法原理图。
图3是本发明实施例中的非局域极化贝尔态测量原理图。其中，PBS代表极化分束片，QWP代表1/4玻片，D1-D8代表单光子探测器。
图4本发明实施例中的使用的非局域极化贝尔态测量结果与对应的探测器响应情况。其中，DiDj代表单光子探测器Di和Dj各探测到一个光子。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
如图1和图2所示，本发明实施例提供了一种基于超纠缠辅助的设备无关量子安全直接通信方法，包括：
信息接收端Bob制备大量处于
Figure BDA0003417300200000081
的空间极化超纠缠光子对，其中
Figure BDA0003417300200000082
和
Figure BDA0003417300200000083
分别属于极化和空间的四个贝尔态之一：
Figure BDA0003417300200000084
Figure BDA0003417300200000085
其中，H,V代表光子的水平极化和垂直极化，b1、b2、b1’、b2’代表Bob处不同的空间模式。
Bob随机选取一部分光子对作为安全性检测光子对，并将每对超纠缠光子对拆分为两条光子序列，两条序列分别包含超纠缠光子对中的一个光子。随后，Bob将其中一条光子序列中的所有光子通过量子信道发送给信息发送端Alice。
信息发送端Alice接收到光子后，告知接收端Bob,Bob公布安全性检测光子对的位置。
对于每一个安全性检测光子对，Alice和Bob在两个自由度上分别随机地从几组测量基中选择一组对各自手中的光子进行测量。其中，在极化和空间自由度上，Alice均有四组测量基，包括：
Figure BDA0003417300200000091
Bob均有两组测量基，包括B1＝A0,B2＝A3。其中，σz和σx为泡利矩阵：
Figure BDA0003417300200000092
双方在所有测量基下的测量结果为+1或-1。如果一方的光子丢失，则测量结果随机地记为+1或-1。双方与测量基对应的测量结果分别记为A'＝{A0',A1',A2',A3'}和B'＝{B1',B2'}。
测量完成后，双方公布每个安全性检测光子对在两个自由度上的测量基选择和测量结果。这里分四种情况讨论。第一种情况，在任一自由度上，当Alice选择A1或A2测量基时，Alice和Bob的测量结果用于估算该自由度上的CHSH多项式的值：
Sp＝<A1p'B1p'>+<A1p'B2p'>+<A2p'B1p'>-<A2p'B2p'>,
Ss＝<A1s'B1s'>+<A1s'B2s'>+<A2s'B1s'>-<A2s'B2s'>.
其中，<Aip(s)'Bjp(s)'>＝P(Aip(s)'＝Bjp(s)'|ij)-P(Aip(s)'≠Bjp(s)'|ij)，表示当Alice和Bob选择Ai和Bj测量基时得到的测量结果相同的概率减去测量结果不同的概率。
第二种情况，在任一自由度上，当Alice选择A0而Bob选择B1测量基时，双方的测量结果用于估算光子传输过程中造成的比特翻转错误率(Qp(s)1)：
Qp1＝P(A0p'≠B1p')，Qs1＝P(A0s'≠B1s')
第三种情况，在任一自由度上，当Alice选择A3而Bob选择B2测量基时，双方的测量结果用于估算光子传输过程中造成的相位翻转错误率(Qp(s)2)：
Qp2＝P(A3p'≠B2p')，Qs2＝P(A3s'≠B2s')
第四种情况，在任意自由度，当Alice选择A0而Bob选择B2测量基，或Alice选择A3而Bob选择B1测量基时，双方将测量结果抛弃。
当Sp(s)≤2时(CHSH不等式)，说明在极化(空间)自由度上，双方的光子只有经典关联，这种情况下，窃听者有机会窃取到所有光子而不被发现，因此这种情况下的光子传输过程是不安全的，通信双方必须终止通信，重新检查信道。当Sp(s)＞2时，说明在极化(空间)自由度上，双方的光子具有非局域关联，当
Figure BDA0003417300200000101
时，说明双方共享的光子态在两个自由度均是最大纠缠态。这种情况下，窃听者的任何窃听行为都能被发现，因此窃听者所能窃听到的最大光子数比率IAE＝0，本方案绝对安全。当
Figure BDA0003417300200000102
时，通信双方可以量化窃听者所能窃听到的最大光子数比率。因此，当两个自由度的S均大于2时，认为光子传输过程安全，通信继续。由于空间纠缠比极化纠缠更能抵御噪声，所以通常有Ss＞Sp，所以窃听者所能窃听到的最大光子数比率(IAE)为：
Figure BDA0003417300200000103
其中h(x)为二进制香农熵：
h(x)＝-xlog2(x)-(1-x)log2(1-x).
在安全性检测通过后，信息发送端Alice从量子存储器中提取出剩下的光子，在极化自由度上进行单量子比特幺正操作，在空间自由度上不做处理。单量子比特幺正操作包括：
U0＝|H><H|+|V><V|，U1＝|H><H|-|V><V|,
U2＝|H><V|+|V><H|，U3＝|H＞＜V|-|V><H|,
U0,U1,U2,U3分别能将
Figure BDA0003417300200000111
演化为
Figure BDA0003417300200000112
U0,U1,U2,U3分别代表00,01,10,11四种经典信息。
编码完成后，Alice和Bob使用极化分束器(PBS)，1/4玻片(QWP)以及单光子探测器(D1-D8)，利用空间自由度上的纠缠辅助实现极化自由度上的完全贝尔态测量，双方记录探测到光子的单光子探测器的编号，发送端Alice公布其位置处的探测器响应情况。
信息接收端Bob能够根据Alice公布的探测器响应的情况和自己位置处的探测器响应情况，判断出双方共享的光子对处于哪一个极化贝尔态，进行解码，从而读出Alice的编码信息。图4给出了当空间贝尔态为
Figure BDA0003417300200000113
时，四种极化贝尔态对应的探测器响应情况。
接下来，举一个具体的例子。当Bob完成纠缠分发后，Alice和Bob共享的超纠缠态为
Figure BDA0003417300200000114
其中
Figure BDA0003417300200000115
若Alice要传递的信息为10，则Alice需要对手中的光子在极化自由度上进行U2操作，则双方共享的超纠缠态演化为
Figure BDA0003417300200000116
接下来，Alice和Bob运行非局域极化完全贝尔态测量。
通过图3所示的贝尔态分析操作后
Figure BDA0003417300200000117
将会进一步演化为
Figure BDA0003417300200000118
该超纠缠态将会导致探测器D1D7,D2D8,D3D5,orD4D6以相同的概率响应。因此，当Alice公布其探测器响应情况，Bob结合自身的探测器响应情况，即可得到编码后的极化量子态为
Figure BDA0003417300200000121
从而得到Alice的操作为U2，传递的信息为10。
Bob制备的初始超纠缠光子对在两个自由度上的量子态为公开信息，但是编码后的量子态以及Alice的编码操作只有发送端Alice和接收端Bob知道，保证了信息传递的安全性。
若光子在传输过程中任一自由度发生错误(比特翻转错误或相位翻转错误)，可导致Bob读取出错误的信息。然而，若光子在两个自由度上发生了相同种类的错误，则Bob也能根据双方的探测器响应情况读取出Alice传递的正确的秘密信息，因此，通信双方根据Qp1，Qp2，Qs1，Qs2的值可估算该方案的总错误率为：
Qpt＝1-(1-Qp1-Qp2)(1-Qs1-Qs2)-Qp1Qs1-Qp2Qs2
＝Qs1+Qs2+Qp1+Qp2-Qp1Qs2-Qp2Qs1-2Qp1Qs1-2Qp2Qs2
根据上述计算，通信双方可估算通信的安全信息容量(Cs)：
Figure BDA0003417300200000122
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于超纠缠辅助的设备无关量子安全直接通信方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
步骤1：信息接收端Bob制备大量相同的用于量子通信的空间(s)-极化(p)超纠缠双光子对，并随机选取一部分光子对作为安全性检测光子对，Bob将每对超纠缠光子对拆分为两条光子序列，其中每条序列包含超纠缠光子对中的一个光子，Bob将其中一条光子序列中的所有光子通过量子信道发送给信息发送端Alice；
步骤2：信息发送端Alice接收到光子后，告知接收端Bob，Bob公布安全性检测光子对的位置；
步骤3：对于每一个安全性检测光子对，发送端Alice和接收端Bob在两个自由度上随机地从测量基中选择一组对各自手中的光子进行测量，测量完成后，双方公布每个安全性检测光子在两个自由度上的测量基选择和测量结果，用于估算CHSH多项式S的值；若有其中一个或两个自由度的S值小于2，则说明光子传输过程不安全，通信终止；若两个自由度的S的值均大于2，则说明光子传输过程安全，通信继续；
步骤4：发送端Alice对手中剩下的超纠缠光子在极化自由度上进行编码操作；
步骤5：编码完成后，Alice和Bob对手中的光子进行非局域极化完全贝尔态测量；测量完成后，Alice公布其位置处的探测器响应情况；
步骤6：接收端Bob根据Alice和自己位置处的探测器响应情况，推测出双方在极化自由度上共享的量子态，从而得到发送端Alice的编码操作信息，实现发送端Alice与接收端Bob间的量子通信。
2.根据权利要求1所述的一种基于超纠缠辅助的设备无关量子安全直接通信方法，其特征在于：步骤1中，信息接收端Bob制备处于
Figure FDA0003417300190000021
的空间极化超纠缠光子对，其中
Figure FDA0003417300190000022
和
Figure FDA0003417300190000023
分别属于极化和空间的四个贝尔态之一：
Figure FDA0003417300190000024
Figure FDA0003417300190000025
其中，H,V代表光子的水平极化和垂直极化，b1、b2、b1’、b2’代表Bob处不同的空间模式。
Bob随机选取一部分光子对作为安全性检测光子对，并将每个超纠缠光子中的一个光子发送给信息发射端Alice。
3.根据权利要求1所述的一种基于超纠缠辅助的设备无关量子安全直接通信方法，其特征在于：步骤2中，信息发射端Alice接收到光子后，采用量子存储器存储接收到光子，并采用经典通信方式告知Bob已经接收到光子。
4.根据权利要求1所述的一种基于超纠缠辅助的设备无关量子安全直接通信方法，其特征在于：步骤3包括如下步骤：
步骤3-1，Alice和Bob分别随机选择测量基对各自手中的安全性检测光子进行测量；
其中，在极化和空间自由度上，Alice均有四组测量基，包括：
A0＝σz,
Figure FDA0003417300190000031
A3＝σx
Bob均有两组测量基，包括B1＝A0,B2＝A3，其中，σz和σx为泡利矩阵：
Figure FDA0003417300190000032
双方在所有测量基下的测量结果为+1或-1；如果一方的光子丢失，则测量结果随机地记为+1或-1；双方与测量基对应的测量结果分别记为
A'＝{A0',A1',A2',A3'}，B'＝{B1',B2'}；
步骤3-2，双方公布每个安全性检测光子对在两个自由度上的测量基选择和测量结果，分四种情况；
第一种情况，在任一自由度上，当Alice选择A1或A2测量基时，Alice和Bob的测量结果用于估算该自由度上的CHSH多项式的值：
Sp＝<A1p'B1p'>+<A1p'B2p'>+<A2p'B1p'>-<A2p'B2p'>,
Ss＝<A1s'B1s'>+<A1s'B2s'>+<A2s'B1s'>-<A2s'B2s'>.
其中，<Aip(s)'Bjp(s)'>＝P(Aip(s)'＝Bjp(s)'|ij)-P(Aip(s)'≠Bjp(s)'|ij)，表示当Alice和Bob选择Ai和Bj测量基时得到的测量结果相同的概率减去测量结果不同的概率；
第二种情况，在任一自由度上，当Alice选择A0而Bob选择B1测量基时，双方的测量结果用于估算光子传输过程中造成的比特翻转错误率Qp(s)1：
Qp1＝P(A0p'≠B1p')，Qs1＝P(A0s'≠B1s')
第三种情况，在任一自由度上，当Alice选择A3而Bob选择B2测量基时，双方的测量结果用于估算光子传输过程中造成的相位翻转错误率Qp(s)2：
Qp2＝P(A3p'≠B2p')，Qs2＝P(A3s'≠B2s')
第四种情况，在任意自由度，当Alice选择A0而Bob选择B2测量基，或Alice选择A3而Bob选择B1测量基时，双方将测量结果抛弃；
步骤3-3，当两个自由度的S均大于2时，认为光子传输过程安全，通信继续；由于空间纠缠比极化纠缠更能抵御噪声，所以有Ss＞Sp，所以窃听者所能窃听到的最大光子数比率IAE为：
Figure FDA0003417300190000041
其中h(x)为二进制香农熵：
h(x)＝-x log2(x)-(1-x)log2(1-x)。
5.根据权利要求1所述的一种基于超纠缠辅助的设备无关量子安全直接通信方法，其特征在于：步骤4中，安全性检测通过后，信息发送端Alice从量子存储器中提取出剩下的光子，在极化自由度上进行单量子比特幺正操作，在空间自由度上不做处理；单量子比特幺正操作包括：
U0＝|H><H|+|V><V|,U1＝|H><H|-|V><V|,
U2＝|H><V|+|V><H|,U3＝|H><V|-|V><H|,
U0,U1,U2,U3分别能将
Figure FDA0003417300190000042
演化为
Figure FDA0003417300190000043
U0,U1,U2,U3分别代表00,01,10,11四种经典信息。
6.根据权利要求1所述的一种基于超纠缠辅助的设备无关量子安全直接通信方法，其特征在于：步骤5中，非局域极化完全贝尔态测量方法包括：使用单光子探测器，利用空间自由度上的纠缠辅助实现极化自由度上的完全贝尔态测量，双方记录探测到光子的单光子探测器的编号，发送端Alice公布其位置处的探测器响应情况。
7.根据权利要求1所述的一种基于超纠缠辅助的设备无关量子安全直接通信方法，其特征在于：步骤6中，信息接收端Bob根据Alice公布的探测器响应的情况和自己位置处的探测器响应情况，判断出双方共享的光子对处于哪一个极化贝尔态，进行解码，从而读出Alice的编码信息；具体的探测器响应情况对应的极化贝尔态及编码信息如下：极化贝尔态及编码信息为
Figure FDA0003417300190000051
探测器响应情况为D1D5,D2D6,D3D7,D4D8；极化贝尔态及编码信息为
Figure FDA0003417300190000052
探测器响应情况为D1D6,D2D5,D3D8,D4D7；极化贝尔态及编码信息为
Figure FDA0003417300190000053
探测器响应情况为D1D7,D2D8,D3D5,D4D6；极化贝尔态及编码信息为
Figure FDA0003417300190000054
探测器响应情况为D1D8,D2D7,D3D6,D4D5。
8.根据权利要求1所述的一种基于超纠缠辅助的设备无关量子安全直接通信方法，其特征在于：所述初始光子对在两个自由度上的量子态为公开信息，编码后的量子态以及Alice的编码操作仅发送端Alice和接收端Bob知道，以保证信息传递的安全性。
9.根据权利要求1所述的一种基于超纠缠辅助的设备无关量子安全直接通信方法，其特征在于：若光子在传输过程中任一自由度发生错误，导致Bob读取出错误的信息；若光子在两个自由度上发生了相同种类的错误，则Bob仍可以根据双方的探测器响应情况读取出Alice传递的正确的秘密信息，因此，通信双方根据Qp1，Qp2，Qs1，Qs2的值估算该方案的总错误率为：
Qpt＝1-(1-Qp1-Qp2)(1-Qs1-Qs2)-Qp1Qs1-Qp2Qs2
＝Qs1+Qs2+Qp1+Qp2-Qp1Qs2-Qp2Qs1-2Qp1Qs1-2Qp2Qs2。
10.根据权利要求9所述的一种基于超纠缠辅助的设备无关量子安全直接通信方法，其特征在于：通信双方估算通信的安全信息容量Cs：
Figure FDA0003417300190000061
CN202111551445.5A 2021-12-17 2021-12-17 一种基于超纠缠辅助的一步设备无关量子安全直接通信方法 Active CN114221763B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111551445.5A CN114221763B (zh) 2021-12-17 2021-12-17 一种基于超纠缠辅助的一步设备无关量子安全直接通信方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111551445.5A CN114221763B (zh) 2021-12-17 2021-12-17 一种基于超纠缠辅助的一步设备无关量子安全直接通信方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114221763A true CN114221763A (zh) 2022-03-22
CN114221763B CN114221763B (zh) 2023-07-21

Family

ID=80703555

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111551445.5A Active CN114221763B (zh) 2021-12-17 2021-12-17 一种基于超纠缠辅助的一步设备无关量子安全直接通信方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114221763B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115037383A (zh) * 2022-04-22 2022-09-09 南京邮电大学 多自由度超编码的设备无关量子安全直接通信方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112272062A (zh) * 2020-10-19 2021-01-26 南京邮电大学 一种基于超纠缠的测量设备无关的量子对话方法
CN113206709A (zh) * 2021-05-10 2021-08-03 南京邮电大学 一种基于超纠缠辅助的量子通信方法
CN113726516A (zh) * 2021-10-21 2021-11-30 南京邮电大学 一种基于两个自由度的测量设备无关的三方量子安全直接通信方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112272062A (zh) * 2020-10-19 2021-01-26 南京邮电大学 一种基于超纠缠的测量设备无关的量子对话方法
CN113206709A (zh) * 2021-05-10 2021-08-03 南京邮电大学 一种基于超纠缠辅助的量子通信方法
CN113726516A (zh) * 2021-10-21 2021-11-30 南京邮电大学 一种基于两个自由度的测量设备无关的三方量子安全直接通信方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
LAN ZHOU ET AL: "Device-independent quantum secure direct communication against collective attacks", SCIENCE BULLETIN *
黄红梅;: "基于非最大纠缠态的受控量子安全直接通信协议", 激光杂志, no. 01 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115037383A (zh) * 2022-04-22 2022-09-09 南京邮电大学 多自由度超编码的设备无关量子安全直接通信方法
CN115037383B (zh) * 2022-04-22 2023-09-12 南京邮电大学 多自由度超编码的设备无关量子安全直接通信方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN114221763B (zh) 2023-07-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Lucamarini et al. Secure deterministic communication without entanglement
Tseng et al. New quantum private comparison protocol using EPR pairs
Bennett et al. Quantum information theory
Bechmann-Pasquinucci et al. Quantum cryptography using larger alphabets
Ekert et al. Eavesdropping on quantum-cryptographical systems
US7653199B2 (en) Quantum key distribution
Inamori Security of practical time-reversed EPR quantum key distribution
CN111092664B (zh) 一种测量设备无关的量子安全通信的信道增容方法
US20130016835A1 (en) Apparatus and method for distributing a string of secret bits over a quantum channel
CN110401494B (zh) 高维子空间上的测量设备无关的量子安全直接通信方法
Martin Steganographic communication with quantum information
CN114221763B (zh) 一种基于超纠缠辅助的一步设备无关量子安全直接通信方法
Williamson et al. Eavesdropping on practical quantum cryptography
JP3542699B2 (ja) 量子暗号の構成方法
CN114268432B (zh) 基于单光子源的设备无关量子安全直接通信方法
CN114172646B (zh) 一种基于超纠缠的测量设备无关的量子安全直接通信方法
CN113206709B (zh) 一种基于超纠缠辅助的量子通信方法
Eusebi et al. Deterministic quantum distribution of a d-ary key
EP4128649A1 (en) Improvements to digital transactions using quantum technology
CN115037383B (zh) 多自由度超编码的设备无关量子安全直接通信方法
JP3664966B2 (ja) 秘密証拠供託方法および秘密証拠供託プログラムを記録した記録媒体
Anghel New eavesdropper detection method in quantum cryptography
Kaszlikowski et al. Quantum tomographic cryptography with Bell diagonal states: Nonequivalence of classical and quantum distillation protocols
Inamori Security of EPR-based quantum key distribution
CN114401088B (zh) 一种基于超纠缠辅助的量子秘密共享方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant