CN114337845B

CN114337845B - 基于单光子超编码的测量设备无关量子秘密共享方法

Info

Publication number: CN114337845B
Application number: CN202111602061.1A
Authority: CN
Inventors: 盛宇波; 居星星; 周澜; 钟伟
Original assignee: Nanjing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Nanjing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2021-12-24
Filing date: 2021-12-24
Publication date: 2023-11-03
Anticipated expiration: 2041-12-24
Also published as: CN114337845A

Abstract

本发明公开了基于单光子超编码的测量设备无关量子秘密共享方法，包括，三方用户在空间和极化自由度上随机选择直角基和对角基来对单光子进行编码并进行分析，得到测量结果；三方用户均公布其每个单光子在极化、空间自由度上的制备基选择，若选择相同，则保留该自由度上的测量结果及编码信息，三方用户选择X制备基，任意两方用户公布各自的编码信息和测量结果来推测第三个用户的编码信息，形成原始密钥，重复上述步骤，得到设定数量的原始密钥；将设定数量的原始密钥进行安全检测，若通过则形成安全密钥，若不通过则结束通信；本发明利用单光子的两个自由度进行编码，提高了安全密钥的成码率。

Description

基于单光子超编码的测量设备无关量子秘密共享方法

技术领域

本发明涉及量子通信技术领域的技术领域，尤其涉及基于单光子超编码的测量设备无关量子秘密共享协议。

背景技术

近年来量子密码学为现代通信的安全性提供了一个可靠的帮助，作为量子密码学一个重要的分支，量子秘密共享(Quantum Secret Sharing，QSS)允许秘密分发者将秘密信息拆分为若干份子密码，借助量子态为载体分发给多个代理成员；只有代理成员共同协作才能恢复秘密，量子秘密共享虽在理论上具有无条件安全性，然而实际量子秘密共享(Quantum Secret Sharing，QSS)系统中因为器件的不完美性仍然存在一些安全性漏洞，针对这些安全漏洞存在多种攻击方案。

为了解决实验设备不完善的局限性，研究人员开发了与设备无关的量子秘密共享，设备无关的量子秘密共享以防御来自不完美的实验设备的所有可能的攻击，但是由于技术限制，现在还无法在实验中实现；2015年，人们首次提出了与测量设备无关的量子秘密共享它不仅可以解决对所有测量设备的窃听攻击，并且在使用常规激光器的情况下延长了安全传输距离，与设备无关的量子秘密共享的难以实现不同，与测量设备无关的量子秘密共享可以在低检测效率和高损耗通道的标准光学器件上实现，在与测量设备无关的量子秘密共享中，通信的三方只需要制备量子态，然后将光子发送给不受信任的第四方(甚至是窃听者)进行测量，但只能识别八个GHZ中的两个，成码率较低。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明提供了基于单光子超编码的测量设备无关量子秘密共享方法，能够避免安全密钥的成码率低，安全性低、实用性低的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：包括，三方用户在空间和极化自由度上随机选择直角基和对角基来对单光子进行编码，对编码后的单光子进行分析，得到测量结果；三方用户均公布其每个单光子在极化、空间自由度上的制备基选择，若在某一自由度上的制备基选择相同，则保留该自由度上的测量结果及编码信息，若制备基选择不同，则丢弃该自由度上测量结果及编码信息；三方用户选择X制备基，任意两方用户公布各自的编码信息，根据所述测量结果来推测第三个用户的编码信息，形成原始密钥，重复上述步骤，得到设定数量的原始密钥；将所述设定数量的原始密钥进行安全检测，若通过则形成安全密钥，若不通过则结束通信。

作为本发明所述的基于单光子超编码的测量设备无关量子秘密共享方法的一种优选方案，其中：所述空间和极化自由度包括，所述空间自由度为：|W₁>、|W₂>、所述极化自由度为：|H>、|V>、其中，|H〉、|V〉为直角基的制备态；|+〉_p、|-〉_p为对角基的制备态，|W₁〉、|W₂〉为某一用户的直角基，|+>_S、|->_S为对角基。

作为本发明所述的基于单光子超编码的测量设备无关量子秘密共享方法的一种优选方案，其中：所述编码包括，三方用户分别随机制备16种不同的单光子态，对应4种编码信息；

若编码信息为00，则对应的单光子态是：

若编码信息为01，则对应的单光子态是：

若编码信息为10，则对应的单光子态是：

若编码信息为11，则对应的单光子态是：

作为本发明所述的基于单光子超编码的测量设备无关量子秘密共享方法的一种优选方案，其中：所述分析为超纠缠GHZ态分析包括，

极化自由度的8个GHZ态和空间自由度的8个GHZ态为：

其中，|ψ₀ ^±>_P、|ψ₁ ^±>_P、|ψ₂ ^±>_P、|ψ₃ ^±>_P为极化自由度的八个GHZ态；|ψ₀ ^±〉_S、|ψ₁ ^±〉_S、|ψ₂ ^±〉_S、|ψ₃ ^±〉_S为空间自由度的八个GHZ态。

作为本发明所述的基于单光子超编码的测量设备无关量子秘密共享方法的一种优选方案，其中：还包括，根据所述极化自由度的8个GHZ态和空间自由度的8个GHZ态，组成极化-空间超纠缠GHZ态共包含下列64种不同的形式：

其中，|ψ₀ ^±>-|ψ₁₅ ^±>为极化自由度-空间自由度超纠缠的64个GHZ态。

作为本发明所述的基于单光子超编码的测量设备无关量子秘密共享方法的一种优选方案，其中：所述测量结果包括，所述第四方测量装置利用非线性光学将64个超纠缠GHZ态区分开来，先区分空间自由度的八个GHZ态，再区分极化自由度的八个GHZ态，得到测量结果。

作为本发明所述的基于单光子超编码的测量设备无关量子秘密共享方法的一种优选方案，其中：所述安全检测包括，三方用户在Z制备基上公布其密钥，结合所述测量结果计算两个自由度下的量子比特误码率，若任一自由度的误码率检测结果超过了误码率阈值，则终止通信，若两个自由度中的误码率均未超过误码率门阈值，则继续通信且形成安全密钥。

作为本发明所述的基于单光子超编码的测量设备无关量子秘密共享方法的一种优选方案，其中：所述形成安全密钥包括，三方用户的编码信息在公开信道进行纠错和私密放大，形成安全密钥。

作为本发明所述的基于单光子超编码的测量设备无关量子秘密共享方法的一种优选方案，其中：所述分析包括，将编码后的单光子态通过量子信道发送给第四方测量装置进行超纠缠Greenberger-Home-Zeilinger态分析。

作为本发明所述的基于单光子超编码的测量设备无关量子秘密共享方法的一种优选方案，其中：所述第四方测量装置由交叉克尔介质组成。

本发明的有益效果：通过在MDI-QSS中传输单光子两个自由度的量子态，利用单光子的两个自由度传输原始密钥，提高了安全密钥的成码率，进行量子比特误码率分析，确保了传输过程的安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明第一个实施例所述的基于单光子超编码的测量设备无关量子秘密共享方法的原理图；

图2为本发明第一个实施例所述的基于单光子超编码的测量设备无关量子秘密共享方法的空间自由度GHZ态分析第一步原理图；

图3为本发明第一个实施例所述的基于单光子超编码的测量设备无关量子秘密共享方法的空间自由度GHZ态分析第二步原理图；

图4为本发明第一个实施例所述的基于单光子超编码的测量设备无关量子秘密共享方法的极化自由度GHZ态分析第一步原理图；

图5为本发明第一个实施例所述的基于单光子超编码的测量设备无关量子秘密共享方法的极化自由度GHZ态分析第二步原理图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

参照图1～5，为本发明的第一个实施例，该实施例提供了基于单光子超编码的测量设备无关量子秘密共享方法，包括：

S1：三方用户在空间和极化自由度上随机选择直角基和对角基来对单光子进行编码，对编码后的单光子进行分析，得到测量结果。

(1)W为a、b和c中任意用户；

(2)空间和极化自由度包括：

空间自由度包括四个态，形式如下(以a用户为例)：|a₁>、|a₂>、

其中，{|a₁>,|a₂〉}代表空间自由度的直角(Z)基，{|+〉_S,|-〉_S}代表空间自由度的对角(X)基，|a₁〉、|+>_s代表比特信息0，|a₂〉、|->_S代表比特信息1；

a用户、b用户和c用户使用极化调制器随机制备以下四个极化态之一，即：|H>、|V>、

其中，|H>和|V>分别代表光子的水平极化态和垂直极化态，并且{|H>，|V>}对应于极化自由度的Z基，{|+>_P，|->_P}和对应于极化自由度的X基，|H>、|+>_P代表比特信息0，|V>、|->_P代表比特信息1。

(3)随机选择直角基Z和对角基X来对单光子进行编码；

用户对于单光子态的空间自由度的编码方法为如果a用户制备|a₁>和|a₂>两个态，只需要让光子走不同的路径即可；如果a用户需要制备|+>_S或|->_S，需要让光子再通过一个分束器，|H>和|+>_p原始密钥为0、|V>和|->_p原始密钥为1、|S₁>和|+>_S原始密钥为0、|S₂>和|->_S原始密钥为1，对应制备16种不同的单光子态，对应4种原始密钥，具体如下：

若原始密钥为00，则对应的单光子态是：

若原始密钥为01，则对应的单光子态是：

若原始密钥为10，则对应的单光子态是：

若原始密钥为11，则对应的单光子态是：

(4)参照图1，发送给第四方测量装置进行分析；

其中，第四方测量装置由交叉克尔介质组成，为非线性光学器件；利用第四方测量装置进行Greenberger-Home-Zeilinger(GHZ)态分析极化自由度的8个GHZ态、空间自由度的8个GHZ态以及64个超纠缠GHZ态分别如下：

参照图2～5，通过第四方测量装置将64个超纠缠贝尔态区分出来，利用非线性光学，先区分空间自由度的八个GHZ态，再区分极化自由度的八个GHZ态；空间(极化)自由度的GHZ态分析结果与对应的探测情况如如表2～5所示，第四方装置完成测量以后，公布测量结果；

表2：空间自由度上每一组GHZ态内|ψ_y ⁺>_S或|ψ_y ^->_S对应的光子输出端口情况。

输出端口	GHZ态
		d₁d₃d₅或d₁d₄d₆或d₂d₃d₆或d₂d₄d₅	\|ψ_y ⁺>_S(y＝0，1，2，3)
d₁d₃d₆或d₁d₄d₅或d₂d₃d₅或d₂d₄d₆	\|ψ_y ^->_S(y＝0，1，2，3)

表3：极化自由度上四组GHZ态|ψ₀ ^±>_P，|ψ₁ ^±>_P，|ψ^2±>_P，|ψ₃ ^±>_P对应的相干态相移情况。

表4：极化自由度上每一组GHZ态内|ψ_y ⁺>_P或|ψ_y ^->_P对应的光子输出端口情况。

探测器响应	GHZ态
		D₁D₃D₅或D₁D₄D₆或D₂D₃D₆或D₂D₄D₅	\|ψ_y ⁺>_P(y＝0，1，2，3)
D₁D₃D₆或D₁D₄D₅或D₂D₃D₅或D₂D₄D₆	\|ψ_y ^->_P(y＝0，1，2，3)

S2：a、b和c用户均公布其每个单光子在极化、空间自由度上的制备基选择，若在某一自由度上的制备基选择相同，则保留该自由度上的测量结果及编码信息，若制备基选择不同，则丢弃该自由度上测量结果及编码信息。

S3：a、b和c用户选择X制备基，任意两方用户公布各自的编码信息，根据测量结果来推测第三个用户的编码信息，形成原始密钥，重复S1～S3，得到设定数量的原始密钥。

其中，需要说明的是原始密钥的形成过程为：假设b用户制备的态为若两个自由度的测量结果为|ψ₀ ⁺>_P，|ψ₀ ⁺>_S；如果两个自由度的测量结果为|ψ_y ⁺>(y＝0，1，2，3)中的某一种，则对应三个用户之间的关系为如果两个自由度的测量结果为|ψ_y ^->(y＝0，1，2，3)中的某一种，则对应三个用户之间的关系为/>根据测量结果可推出两个自由度对应的三个用户之间的关系都为/>若c用户告诉b用户自己的制备态是由此推知a用户的编码信息是00；若c用户告诉b用户自己的制备态是/> 由此推知a用户的编码信息是11。若两个自由度的测量结果为|ψ₀ ^->_P，|ψ₀ ^->_S，则对应三个用户之间的关系为若c用户告诉b用户自己的制备态是/>由此推知a用户的编码信息是11；若c用户告诉b用户自己的制备态是/> 由此推知a用户的编码信息是00；编码信息为原始密钥。

S4：将设定数量的原始密钥进行安全检测，若通过则形成安全密钥，若不通过则结束通信。

(2)a、b和c用户在公开信道进行纠错和私密放大，形成最终的安全密钥。

较佳的是，本发明通过加入量子比特误码率提升了通信的安全性，可延伸至四方、五方等多用户通信。

应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。

此外，可按任何合适的顺序来执行本文描述的过程的操作，除非本文另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本文描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。

进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、RAM、ROM等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本文所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。计算机程序能够应用于输入数据以执行本文所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。

如在本申请所使用的，术语“组件”、“模块”、“系统”等等旨在指代计算机相关实体，该计算机相关实体可以是硬件、固件、硬件和软件的结合、软件或者运行中的软件。例如，组件可以是，但不限于是：在处理器上运行的处理、处理器、对象、可执行文件、执行中的线程、程序和/或计算机。作为示例，在计算设备上运行的应用和该计算设备都可以是组件。一个或多个组件可以存在于执行中的过程和/或线程中，并且组件可以位于一个计算机中以及/或者分布在两个或更多个计算机之间。此外，这些组件能够从在其上具有各种数据结构的各种计算机可读介质中执行。这些组件可以通过诸如根据具有一个或多个数据分组(例如，来自一个组件的数据，该组件与本地系统、分布式系统中的另一个组件进行交互和/或以信号的方式通过诸如互联网之类的网络与其它系统进行交互)的信号，以本地和/或远程过程的方式进行通信。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.基于单光子超编码的测量设备无关量子秘密共享方法，其特征在于：包括，

三方用户在空间和极化自由度上随机选择直角基和对角基来对单光子进行编码，对编码后的单光子进行分析，得到测量结果；所述空间和极化自由度包括，所述空间自由度为：

其中，{|W₁>、|W₂>}代表空间自由度的直角基，{|+>_S、|->_S}代表空间自由度的对角基，|W₁>、|+>_s代表比特信息0，|W₂>、|->_S代表比特信息1；

所述极化自由度为：

其中，|H>和|V>分别代表光子的水平极化态和垂直极化态，并且{|H>，|V>}对应于极化自由度的直角基，{|+>_P，|->_P}和对应于极化自由度的对角基，|H>、|+>_P代表比特信息0，|V>、|->_P代表比特信息1；

所述编码包括三方用户分别随机制备16种不同的单光子态，对应4种编码信息；所述分析为超纠缠GHZ态分析包括，极化自由度的8个GHZ态和空间自由度的8个GHZ态；根据所述极化自由度的8个GHZ态和空间自由度的8个GHZ态，组成极化-空间超纠缠GHZ态共包含64种不同的形式；所述测量结果包括，第四方测量装置利用非线性光学将64个超纠缠GHZ态区分开来，先区分空间自由度的八个GHZ态，再区分极化自由度的八个GHZ态，得到测量结果；三方用户均公布其每个单光子在极化、空间自由度上的制备基选择，若在某一自由度上的制备基选择相同，则保留该自由度上的测量结果及编码信息，若制备基选择不同，则丢弃该自由度上测量结果及编码信息；

三方用户选择对角基，任意两方用户公布各自的编码信息，根据所述测量结果来推测第三个用户的编码信息，形成原始密钥，重复上述步骤，得到设定数量的原始密钥；

根据所述测量结果来推测第三个用户的编码信息，形成原始密钥包括：

假设b用户制备的态为若两个自由度的GHZ态测量结果为|ψ₀ ⁺>_P，|ψ₀ ⁺>_S，则根据测量结果可推出两个自由度对应的三个用户之间的关系都为若c用户告诉b用户自己的制备态是/>由此b用户可推知a用户的编码信息是00；若c用户告诉b用户自己的制备态是b用户可推知a用户的编码信息是11；若两个自由度的测量结果为|ψ₀ ^->_P，|ψ₀ ^->_S，则对应三个用户之间的关系为/>若c用户告诉b用户自己的制备态是/>b用户可推知a用户的编码信息是11；若c用户告诉b用户自己的制备态是/>b用户可推知a用户的编码信息是00，该编码信息即作为原始密钥；

将所述设定数量的原始密钥进行安全检测，若通过则形成安全密钥，若不通过则结束通信。

2.如权利要求1所述的基于单光子超编码的测量设备无关量子秘密共享方法，其特征在于：所述

三方用户分别随机制备16种不同的单光子态，对应4种编码信息

包括，若编码信息为00，则对应的单光子态是：

若编码信息为01，则对应的单光子态是：

若编码信息为10，则对应的单光子态是：

若编码信息为11，则对应的单光子态是：

3.如权利要求1～2任一所述的基于单光子超编码的测量设备无关量子秘密共享方法，其特征在于：

所述极化自由度的8个GHZ态和空间自由度的8个GHZ态包括：

其中，|ψ₀ ^±>_P、|ψ₁ ^±>_P、|ψ₂ ^±>_P、|ψ₃ ^±>_P为极化自由度的八个GHZ态；|ψ₀ ^±>_S、|ψ₁ ^±>_S、|ψ₂ ^±>_S、|ψ₃ ^±＞_S为空间自由度的八个GHZ态。

4.如权利要求3所述的基于单光子超编码的测量设备无关量子秘密共享方法，其特征在于：还包括，

根据所述极化自由度的8个GHZ态和空间自由度的8个GHZ态，组成极化-空间超纠缠GHZ态共包含下列64种不同的形式：

其中，|ψ_A ^±>为极化自由度-空间自由度超纠缠的64个GHZ态，A＝0，1，2，…，15。

5.如权利要求4所述的基于单光子超编码的测量设备无关量子秘密共享方法，其特征在于：所述安全检测包括，

三方用户在直角基上公布其密钥，结合所述测量结果计算两个自由度下的量子比特误码率，若任一自由度的误码率检测结果超过了误码率阈值，则终止通信，若两个自由度中的误码率均未超过误码率门阈值，则继续通信且形成安全密钥。

6.如权利要求5所述的基于单光子超编码的测量设备无关量子秘密共享方法，其特征在于：所述形成安全密钥包括，

三方用户的编码信息在公开信道进行纠错和私密放大，形成安全密钥。

7.如权利要求1所述的基于单光子超编码的测量设备无关量子秘密共享方法，其特征在于：所述分析包括，将编码后的单光子态通过量子信道发送给第四方测量装置进行超纠缠Greenberger–Horne–Zeilinger态分析。

8.如权利要求7所述的基于单光子超编码的测量设备无关量子秘密共享方法，其特征在于：所述第四方测量装置由交叉克尔介质组成。