CN114665978B - 参考系无关的量子安全直接通信方法及系统 - Google Patents

参考系无关的量子安全直接通信方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一个参考系无关的量子安全直接通信方法及系统，该方法无需实时对准收发双方的编码参考系，通信双方便可以实现安全通信。方法中的参考系无关可以降低为校准参考系系统带来的复杂度，并且在没有参考系校准的情况下仍可以实现量子安全直接通信。此外，由于RFI‑QSDC协议使用X基和Y基下的部分量子态测量进行第一步安全性检测，剩余的X基和Y基下的量子态以及Z基下的量子态均可用于携带秘密信息，则该方法相比于原始的参考系无关量子密钥分发方案可以有效提高通信效率。

Description

参考系无关的量子安全直接通信方法及系统
技术领域
本发明涉及一种参考系无关的量子安全直接通信方法及系统，属于量子通信技术领域。
背景技术
1984年，Bennett和Brassard提出了第一个量子秘钥分发(Quantum KeyDistribution)协议——BB84协议，标志着量子密码学的诞生。随后Bennett又提出了BB84协议的补充——六态协议，但并未深入研究。1998年，D.Bruss正式提出六态协议。2010年，A.Laing等人提出了六态的参考系无关量子密钥分发(reference-frame-independentquantum key distribution(RFI-QKD))协议，因为其无需实时对准收发双方的编码参考系的特性，特别适合地球卫星通信和片上芯片通信，引发了广泛的关注。针对RFI-QKD协议的各项理论与实验研究也层出不穷。2010年，Sheridan等人利用大数定理分析了基于理想单光子源的RFI-QKD协议在密钥有限长条件下的实际安全性。为抵御由非理想单光子源中产生的多光子部分造成的安全威胁，2013年，梁文烨等人将诱骗态思想应用于RFI-QKD协议，利用大数定理分析了密钥有限长条件下的安全性，并实现了在80km光纤内成功传输密钥的演示实验。
而量子安全直接通信(quantum secure direct communication(QSDC))与QKD不同，是一种新的量子通信方式。QSDC无需事先产生密钥，可在量子信道中安全地直接传递秘密信息。2000年，龙桂鲁等人提出了第一个量子安全直接通信方案——高效QSDC方案。2003年，邓富国和龙桂鲁等人提出了基于纠缠光子对Einstein-Podolsky-Rosen(EPR)的两步量子直接通信方案；同年，邓富国和龙桂鲁提出了基于单光子量子态序列的量子一次一密直接通信方案。在这两个方案中，作者首次提出了QSDC需要满足的条件，阐明了QSDC的物理机理，给出了QSDC的构造原理和安全判据，为后续QSDC方案的设计提供了理论依据，极大地推动了QSDC的发展。随后，人们使用各种不同的量子信号源，提出了多种QSDC方案。
但在目前已有QSDC协议中，通信双方均需要共享一个相同的参考系。由于实际环境的影响，通信双方的参考系可能在通信过程中发生变化，因此，在实际系统中就需要引入额外的校准系统，而加入校准系统又会增加系统的复杂度，且可能会带来信息泄露的安全性问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，本发明提出了一个参考系无关的量子安全直接通信方法及系统，免掉了系统参考系对齐的要求，保证安全性的同时，有效降低了校准参考系带来的复杂度问题。
为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
第一方面，本发明提供了一种参考系无关的量子安全直接通信方法，包括以下步骤：
步骤A：通信方A和通信方B均具有三组制备基，分别为{XA,YA，ZA}和{XB,YB，ZB}，其中，ZB和ZA基严格对齐，而XB、YB与XA、YA存在一定的角度差；通信方B随机地在XB、YB和ZB基下制备多个单光子构成单光子序列S；
步骤B：通信方B将S序列的光子通过量子信道发送给通信方A，通信方A接收到S序列后，通过经典通信告诉通信方B。通信方B选取部分在XB基或YB基下制备的光子为安全性检测光子，公布安全性检测光子的位置；
步骤C：通信方A将其余光子存储到量子存储器中，然后随机选择XA和YA基对安全性检测光子进行测量；测量完成后，通信方A公布其测量基选择和测量结果；双方进行参考系无关的安全性检测，若安全性检测未通过，则双方丢弃之前传输的S序列，若安全性检测通过，则进行下一步。
步骤D：通信方A提取出所有量子存储器中的光子，通信方B随机选择一部分Z基下制备的光子的位置告诉通信方A，通信方A丢弃掉这些位置处的光子，剩余光子组成序列M；
步骤E：通信方A对序列M中的量子态进行编码，通信方A在编码信息的过程中，随机地选取一些位置的光子加载用于安全性检测的随机编码，生成编码后的光子序列M'；
步骤F:通信方A将光子序列M'发送给通信方B，通信方B收到光子序列M'后，通信方A公布安全性检测光子的位置和编码信息，通信方B把其他光子存储到量子存储器中，然后使用原来的制备基对安全性光子进行测量并对比错误率来判断第二次传输是否安全；如果安全性检测未通过，则第二轮光子传输过程不安全，双方终止通信；若安全性检测通过，则认为第二轮光子传输过程安全，进行下一步；
步骤G：通信方B从量子存储器中提取出编码后的光子，使用原来的制备基对编码光子进行测量，根据测量结果来解读通信方A发送的信息。
进一步的，通信方A和通信方B制备量子态信息的方法包括：
将通信方A和通信方B的Z基完全对准,而通信方A和通信方B的X基和Y基可以存在β角的偏差，β的物理意义取决于不同的编码系统：
在偏振编码系统中β为偏振方向的夹角，在时间相位编码的系统中，β是相对相位的漂移，并且，密钥分发过程中参考系具体的偏转角度β是未知的，通信方A和通信方B的三组基是具体关系可描述为：
XB＝cosβXA+sinβYA
YB＝cosβYA-sinβXA
ZA＝ZB＝Z
β＝|βA-βB|/2
通信方A和通信方B的制备基描述为：
Z∈{|0〉,|1>}
式中，βA(B)为通信方A和通信方B的X基和Y基偏离标准参考系的角度，i为虚数单位。
进一步的，通信方B随机选取部分XB基或YB基下制备的光子为安全性检测光子的方法包括：
通信方B将随机选取的一定数量的在XB和YB基下制备的安全性检测光子的位置通过经典通信告诉通信方A。
进一步的，双方进行第一次安全性分析的方法包括：
利用中间值C来估计窃听者窃听到的最大光子数比率，中间值C可描述为：
C＝<XAXB>2+<XAYB>2+<YAXB>2+<YAYB>2
＝(1-2EXX)2+(1-2EXY)2+(1-2EYX)2+(1-2EYY)2
其中，<XAXB>是通信方A和通信方B使用X基联合测量的平均值，<XAYB>是通信方A使用X基和通信方B使用Y基联合测量的平均值，<YAXB>是通信方A使用Y基和通信方B使用X基联合测量的平均值,<YAYB>是通信方A和通信方B使用Y基联合测量的平均值；EXY表示通信方A和通信方B分别取X基和Y基时安全性检测的误码率；EXX表示通信方A和通信方B分别取X基和X基时安全性检测的误码率；EYY表示通信方A和通信方B分别取Y基和Y基时安全性检测的误码率；EYX表示通信方A和通信方B分别取Y基和X基时安全性检测的误码率；
C可用于估计窃听者能窃听到的最大光子数比率，其值在0-2之间。对于经典态，有0≤C≤1,此情况下，此时窃听者可能窃听到所有光子而不被发现，因此第一轮光子传输不安全，双方放弃通信；若1<C≤2，则说明通信方A和通信方B手中的光子态具有非局域关联，当EZZ＝0时C＝2，对应双方共享最大纠缠态。在1<C≤2时，双方认定光子传输安全，继续下一步。
进一步的，对序列M中的量子态进行编码的方法包括：
通信方A根据自己所传送的信息“0”“1”，分别对量子态进行U0、U1两种幺正操作，对序列M中的量子态进行编码，通信方A在编码信息的过程中，随机地选取一些光子加载用于安全性检测的随机编码(随机进行U0或U1操作)，生成编码后的光子序列M'。其中U0为不变(I)操作，作用到任何量子态上均不对量子态产生任何影响，代表经典信息“0”；U1为相位翻转(σz)操作，代表经典信息“1”，其功能为：
U1＝σz＝|0><0|-|1><1|
U1|0>＝|0>，U1|1>＝-|1>
U1|+>＝|->，U1|->＝|+>
U1|+i>＝|-i>，U1|-i>＝|+i>
进一步的，第二轮安全性检测的具体方法包括：通信方A公布安全性检测光子的位置以及编码情况，通信方A编码前后单光子态的制备基没有发生改变，通信方B使用这些光子的原始制备基来对光子态进行测量，所以不存在参考系未对准的情况，只需结合制备的初始态和通信方A公布的编码信息即可估算错误率。若错误率高于设定的阈值，则说明第二轮光子传输过程不安全，放弃通信。若错误率低于设定的阈值，则说明第二轮光子传输过程安全。
进一步的，在确认第二轮光子传输过程安全的前提下，通信方B从量子存储器中提取出其他光子进行解码。根据测量结果来解码信息的方法包括：通信方A编码前后单光子态的制备基没有发生改变，通信方B使用原始制备基来测量光子的量子态，只需根据测量结果和初始的单光子量子态进行对比完成信息的解码。
第二方面，本发明提供一种量子安全直接通信系统，包括第一通信模块和第二通信模块；
第一通信模块和第二通信模块的制备基分别为{XA,YA，ZA}及{XB,YB，ZB}，第二通信模块的制备基与第一通信模块的制备基之间的关系为：ZB和ZA基严格对齐，而XB、YB与XA、YA存在一定的角度差；第二通信模块随机使用三种制备基制备多个单光子态构成单光子序列S；
第二通信模块将S序列的光子通过量子信道发送给第一通信模块，第一通信模块接收到S序列后，第二通信模块选取一部分在XB基或YB基下制备的单光子为安全性检测光子，公布安全性检测光子的位置；
第一通信模块将其余光子存储到量子存储器中，然后随机选择XA和YA基对安全性检测光子进行测量；测量完成后，第一通信模块公布其测量基选择和测量结果；第二通信模块和第一通信模块通过估算中间量C的值进行安全性检测。若0≤C≤1，则双方丢弃之前传输的S序列，重新检查信道。若1＜C≤2，则第一通信模块提取出所有量子存储器中的光子，第二通信模块将随机选择一部分Z基下产生的光子的位置告诉第一通信模块，第一通信模块丢弃掉这些位置处的光子，将剩余光子组成的序列M；
第一通信模块对序列M中的量子态进行编码，第一通信模块在编码信息的过程中，随机地选取一些位置的光子加载用于安全性检测的随机编码，生成编码后的光子序列M'；
第一通信模块将光子序列M'发送给第二通信模块，第二通信模块收到光子序列M'后，第一通信模块公布随机编码的位置和操作信息，第二通信模块把其他光子存储到量子存储器中，然后按照原来的制备基对安全性光子进行测量并对比错误率来判断第二次传输是否安全；如果错误率高于设定的阈值，则第二轮光子传输过程不安全，双方终止通信；若错误率低于设定的阈值，则认为第二轮光子传输过程安全，则第二通信模块从量子存储器中提取出编码后的光子，根据测量结果来解码信息。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
1、本方法中的参考系无关可以降低为校准参考系系统带来的复杂度，并且在没有参考系校准的情况下仍可以实现量子安全直接通信，通信双方无需精确校准参考系，这解决了实际应用中由于校准参考系带来的复杂度问题，并且减少了在校准过程中可能会导致的信息泄露问题。
2、本方案可使用所有的Z基下的量子比特和部分X基和Y基下的量子比特来传递信息，可明显提高通信效率。由于RFI-QSDC协议则使用X基和Y基下的部分量子态测量进行第一步安全性检测，剩余的X基和Y基下的量子态以及Z基下的量子态用于携带秘密信息，则该方法相比于原始的RFI-QKD方案可以有效提高通信效率。
附图说明
图1为本发明提出的基于参考系无关的QSDC流程图。
图2为本发明提出的基于参考系无关的QSDC原理图，其中实心圆圈代表光子，虚线椭圆框里的光子代表用于第一次安全性检测的光子，实线框内的光子代表用于第二次安全性检测的光子。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例一：
下面结合说明书附图1和附图2对本发明创造作进一步的详细说明。
如附图1所示，本实施例提供一种基于参考系无关量子安全直接通信方法，Alice和Bob分别代表通信发送方和接收方，包含如下步骤：
步骤1：以偏振编码为例，Alice和Bob分别使用三组制备基{XA,YA，ZA}和{XB,YB，ZB}来构造该协议。下面通信方A和通信方B分别表示Alice和Bob。X、Y、Z分别表示通信方制备量子态时选择的参考基矢，每个基矢下包含两个偏振态，后面有公式具体表述是哪两个偏振态。
Alice和Bob处的三种制备基可表示为：
ZA(B)∈{|0>,|1>}
其中，|0>代表|H>(水平偏振)，|1>代表|V>(垂直偏振)。下标A表示信息发送方Alice，下标B表示信息接收方Bob。Alice和Bob的Z基完全对准,而两者的X基和Y基可以存在β角的偏差。Alice和Bob三组基的具体的关系可描述为：
XB＝cosβXA+sinβYA
YB＝cosβYA-sinβXA
ZA＝ZB＝Z
β＝|βA-βB|/2
信息接收方Bob在{XB,YB，ZB}基下随机制备N个单光子态构成单光子序列S。
步骤2：Bob将S序列通过量子信道发送给Alice，Alice接收到S序列后，Bob随机选取的一部分在XB基和YB基下制备的光子作为安全性检测光子并公布其位置。
步骤3：Alice随机选择XA和YA两个基对安全性检测光子进行测量，而其余的光子存储在量子存储器中。测量完成后，Alice公布其测量基和测量结果。本协议的安全性检测过程与RFI-QKD安全检测过程一致。Alice和Bob利用一个中间值C来估计窃听者Eve能窃取到的光子数比率。中间值C可描述为：
C＝<XAXB>2+<XAYB>2+<YAXB>2+<YAYB>2
＝(1-2EXX)2+(1-2EXY)2+(1-2EYX)2+(1-2EYY)2
其中，<XAXB>是Alice和Bob使用X基联合测量的平均值，其它类似。Eij(i,j＝X,Y)表示Alice和Bob分别取i基和j基时安全性检测的误码率。C可视为纠缠目击(Entanglementwitness)，其值在0-2之间,可用于估计窃听者Eve能窃取到的光子数比率。若0≤C≤1，AB之间的量子态为经典态，此时窃听者Eve能窃取到所有光子而不被发现。若1<C≤2，Alice和Bob手中的光子存在非局域关联，特别是当C＝2时，表示AB间的光子的非局域关联性最大。若1<C≤2，双方认定光子传输过程安全，通信继续。
步骤4：由于光子序列S中的一部分X、Y基下制备的光子用来进行安全性检测，导致安全性检测完后Z基下制备的量子态与剩余的X和Y基下制备的量子态比例不均匀，这会导致窃听者Eve在Z基上有较大的概率窃听，因此安全检测通过后，Alice提取出所有量子存储器中的光子，Bob将随机选择一部分Z基下产生的光子的位置告诉Alice，Alice丢弃掉这些位置处的光子。我们把剩余光子组成的序列称为序列M。
步骤5：Alice根据自己所要传送的信息“0”“1”，分别选取U0、U1对M序列中光子进行编码操作。U0、U1是量子学中对量子态进行幺正操作的算符，U0是I算符，U1是δz泡利算符。U0代表经典信息“0”，U1代表经典信息“1”。若对序列M中的光子态进行U0，则所有光子态不变；若对序列M中的光子态进行U1操作，结果可描述为：
U1|0>＝|0>，U1|1>＝-|1>
U1|+>＝|->，U1|->＝|+>
U1|+i>＝|-i>，U1|-i>＝|+i>
Alice在编码信息过程中，也随机选取一些位置的光子用于安全性检测，进行随机编码。编码后的光子序列称为M'。
步骤6：Alice将M'序列中的光子依次发送给Bob，等Bob收到M'序列后，Alice公布随机编码的安全性检测光子的位置和操作信息，Bob把其他光子(其他光子是相对于，Alice没有公布的M'序列中的光子。注意：Alice选多少光子用于安全性检测的随机编码就公布多少光子。)存储到量子存储器中，然后按照原来的制备基对安全性光子(安全性光子就是Alice用于安全性检测的随机编码的这些光子)进行测量并对比错误率来判断第二次传输是否安全。由于初始量子态是Bob在XB、YB、ZB基下制备的，而Alice在这些量子态上随机编码后，并不改变这些量子态的制备基，因此，Bob接收到这些安全性检测光子后仍用他的制备基XB、YB、ZB对光子进行测量(这里的测量，可理解为量子态的投影)，就可以读出编码后的量子态，那么Bob根据初始量子态和测量出来的编码后的量子态，以及Alice公布的编码操作，比对就可以判断量子态是否出错，也就可以判断有无窃听。如果错误率高于设定的阈值，则第二轮光子传输过程不安全，双方终止通信。若错误率低于设定的阈值，则认为第二轮光子传输过程安全，通信继续。
步骤7：Bob从量子存储器中提取出编码后的光子，根据自己原始的制备基测量光子的量子态，最终读出Alice的编码信息。
这里，我们举一个具体的例子来说明我们的方案。为了使方案介绍简单清晰，此处我们忽略安全性检测过程。假设Bob制备的某个初始单光子态是|+>，Alice要传输的经典比特是“1”，则Alice对接收到的量子态|+>施加U1操作，即U1|+>＝|->。当Bob接收到Alice发来的这个量子态后，在原来的制备基X基下测量该光子。根据自己制备的初始态|+>和测量结果|->，Bob可以推知Alice发来的经典信息。
本方案提出的参考系无关的量子安全直接通信方案，通信双方无需精确校准参考系，这解决了实际应用中由于校准参考系带来的复杂度问题，并且减少了在校准过程中可能会导致的信息泄露问题。此外，本方案可使用所有的Z基下的量子比特和部分X基和Y基下的量子比特来传递信息，可明显提高通信效率。这在未来安全通信领域将有重要的应用价值。
实施例二：
本实施例提供一种参考系无关的量子安全直接通信系统，包括第一通信模块和第二通信模块；
第一通信模块和第二通信模块的制备基为{XA,YA，ZA}及{XB,YB，ZB}，其中，ZB和ZA基严格对齐，而XB、YB与XA、YA存在一定的角度差；第二通信模块在XB、YB和ZB基下随机制备多个单光子态构成单光子序列S；
第二通信模块将S序列的光子通过量子信道发送给第一通信模块，第一通信模块接收到S序列后，第二通信模块选取部分在XB基或YB基下制备的光子为安全性检测光子，公布安全性检测光子的位置；
第一通信模块将其余光子存储到量子存储器中，然后随机选择XA和YA基对安全性检测光子进行测量；测量完成后，第一通信模块公布其测量基选择和测量结果；双方进行第一次参考系无关的安全性分析，若安全性检测未通过，则双方丢弃之前传输的S序列，否则，第一通信模块提取出所有量子存储器中的光子，第二通信模块将随机选择部分Z基下制备的光子的位置告诉第一通信模块，第一通信模块丢弃掉这些位置处的光子，将剩余光子组成的序列M；
第一通信模块对序列M中的量子态进行编码，第一通信模块在编码信息的过程中，随机地选取一些位置的光子加载用于安全性检测的随机编码，生成编码后的光子序列M'；
第一通信模块将光子序列M'发送给第二通信模块，第二通信模块收到光子序列M'后，第一通信模块公布随机编码的位置和操作信息，第二通信模块把其他光子存储到量子存储器中，然后按照原来的制备基对安全性光子进行测量并对比错误率来判断第二次传输是否安全；如果错误率高于设定的阈值，则第二轮光子传输过程不安全，双方终止通信；若错误率低于设定的阈值，则认为第二轮光子传输过程安全，则第二通信模块从量子存储器中提取出编码后的光子，根据测量结果来解码信息。
本实施例的系统可用于实现实施例一所述的方法。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种参考系无关的量子安全直接通信方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：通信方A和通信方B均具有三组制备基，分别为{XA,YA，ZA}和{XB,YB，ZB}，其中，ZB和ZA基严格对齐，而XB、YB与XA、YA存在一定的角度差；通信方B随机地在XB、YB和ZB基下制备多个单光子构成单光子序列S；
步骤2：通信方B将S序列的光子通过量子信道发送给通信方A，通信方A接收到S序列后，通过经典通信告诉通信方B；通信方B选取部分在XB基或YB基下制备的光子为安全性检测光子，公布安全性检测光子的位置；
步骤3：通信方A将其余光子存储到量子存储器中，然后随机选择XA和YA基对安全性检测光子进行测量；测量完成后，通信方A公布其测量基选择和测量结果；双方进行参考系无关的安全性检测，若安全性检测未通过，则双方丢弃之前传输的S序列，若安全性检测通过，则跳转步骤4；
步骤4：通信方A提取出所有量子存储器中的光子，通信方B随机选择一部分Z基下制备的光子的位置告诉通信方A，通信方A丢弃掉这些位置处的光子，剩余光子组成序列M；
步骤5：通信方A对序列M中的量子态进行编码，通信方A在编码信息的过程中，随机地选取一些位置的光子加载用于安全性检测的随机编码，生成编码后的光子序列M'；
步骤6:通信方A将光子序列M'发送给通信方B，通信方B收到光子序列M'后，通信方A公布安全性检测光子的位置和编码信息，通信方B把其他光子存储到量子存储器中，然后使用原来的制备基对安全性光子进行测量并对比错误率来判断第二次传输是否安全；如果安全性检测未通过，则第二轮光子传输过程不安全，双方终止通信；若安全性检测通过，则认为第二轮光子传输过程安全，跳转步骤7；
步骤7：通信方B从量子存储器中提取出编码后的光子，使用原来的制备基对编码光子进行测量，根据测量结果来解读通信方A发送的信息。
2.根据权利要求1所述的参考系无关的量子安全直接通信方法，其特征在于，通信方A和通信方B均具有三组制备基，包括{XA,YA，ZA}和{XB,YB，ZB}；通信方A和通信方B的Z基完全对准,而通信方A和通信方B的X基和Y基存在β角的偏差，β的物理意义取决于不同的编码系统：
在偏振编码系统中β为偏振方向的夹角，在时间相位编码的系统中，β是相对相位的漂移，并且，密钥分发过程中参考系具体的偏转角度β是未知的，通信方A和通信方B的三组基具体的关系描述为：
XB＝cosβXA+sinβYA
YB＝cosβYA-sinβXA
ZA＝ZB＝Z
β＝|βA-βB|/2
通信方A和通信方B的制备基可具体描述为：
ZA(B)∈{|0>,|1>}
式中，βA(B)为通信方A和通信方B的X基和Y基偏离标准参考系的角度，i为虚数单位。
3.根据权利要求1所述的参考系无关的量子安全直接通信方法，其特征在于，通信方B选取部分在XB基或YB基下制备的光子为安全性检测光子的方法包括：
通信方B将随机选取的一定数量的在XB和YB基下制备的安全性检测光子的位置通过经典信道告诉通信方A。
4.根据权利要求1所述的参考系无关的量子安全直接通信方法，其特征在于，双方进行参考系无关的安全性检测的方法包括：
利用中间值C来估计窃听者能窃听到的最大光子数比率，中间值C描述为：
C＝<XAXB>2+<XAYB>2+<YAXB>2+<YAYB>2
＝(1-2EXX)2+(1-2EXY)2+(1-2EYX)2+(1-2EYY)2
其中，<XAXB>是通信方A和通信方B使用X基联合测量的平均值，<XAYB>是通信方A使用X基和通信方B使用Y基联合测量的平均值，<YAXB>是通信方A使用Y基和通信方B使用X基联合测量的平均值,<YAYB>是通信方A和通信方B使用Y基联合测量的平均值；EXY表示通信方A和通信方B分别取X基和Y基时安全性检测的误码率；EXX表示通信方A和通信方B分别取X基和X基时安全性检测的误码率；EYY表示通信方A和通信方B分别取Y基和Y基时安全性检测的误码率；EYX表示通信方A和通信方B分别取Y基和X基时安全性检测的误码率；
C用于估计窃听者能窃听到的最大光子数比率，其值在0-2之间；对于经典态，有0≤C≤1,此情况下，窃听者可能窃听到所有光子而不被发现，因此第一轮光子传输不安全，双方放弃通信；若1<C≤2，则说明通信方A和通信方B手中的光子态具有非局域关联，当EZZ＝0时C＝2，对应双方共享最大纠缠态；在1<C≤2时，双方认定光子传输安全，继续下一步。
5.根据权利要求1所述的参考系无关的量子安全直接通信方法，其特征在于，对序列M中的量子态进行编码的方法包括：
通信方A根据自己所传送的信息“0”“1”，分别对量子态进行U0、U1两种幺正操作，对序列M中的量子态进行编码，通信方A在编码信息的过程中，随机地选取一些光子加载用于安全性检测的随机编码(随机进行U0或U1操作)，生成编码后的光子序列M'，其中U0为不变(I)操作，作用到任何量子态上均不对量子态产生任何影响，代表经典信息“0”；U1为相位翻转(σz)操作，代表经典信息“1”，其功能为：
U1＝σz＝|0><0|-|1><1|
U1|0>＝|0>，U1|1>＝-|1>
U1|+>＝|->，U1|->＝|+>
U1|+i>＝|-i>，U1|-i>＝|+i>。
6.根据权利要求1所述的参考系无关的量子安全直接通信方法，其特征在于，第二次传输的安全性检测的具体方法包括：通信方A公布安全性检测光子的位置以及编码情况，通信方A编码前后单光子态的制备基没有发生改变，通信方B使用这些光子的原始制备基来对光子态进行测量，结合制备的初始态和通信方A公布的编码信息估算错误率；若错误率高于设定的阈值，则说明第二轮光子传输过程不安全，放弃通信；若错误率低于设定的阈值，则说明第二轮光子传输过程安全。
7.根据权利要求1所述的参考系无关的量子安全直接通信方法，其特征在于，通信方B从量子存储器中提取出编码后的光子，使用原来的制备基对编码光子进行测量，根据测量结果来解读通信方A发送的信息的方法包括：通信方A编码前后单光子态的制备基没有发生改变，通信方B使用原始制备基来测量光子的量子态，根据测量结果和初始的单光子量子态进行对比完成信息的解码。
8.一种参考系无关的量子安全直接通信系统，其特征在于，包括第一通信模块和第二通信模块；
第一通信模块和第二通信模块的制备基分别为{XA,YA，ZA}及{XB,YB，ZB}，第二通信模块的制备基与第一通信模块的制备基之间的关系为：ZB和ZA基严格对齐，而XB、YB与XA、YA存在一定的角度差；第二通信模块随机使用三种制备基制备多个单光子态构成单光子序列S；
第二通信模块将S序列的光子通过量子信道发送给第一通信模块，第一通信模块接收到S序列后，第二通信模块选取一部分在XB基或YB基下制备的单光子为安全性检测光子，公布安全性检测光子的位置；
第一通信模块将其余光子存储到量子存储器中，然后随机选择XA和YA基对安全性检测光子进行测量；测量完成后，第一通信模块公布其测量基选择和测量结果；第二通信模块和第一通信模块通过估算中间量C的值进行安全性检测；若0≤C≤1，则双方丢弃之前传输的S序列，重新检查信道；若1＜C≤2，则第一通信模块提取出所有量子存储器中的光子，第二通信模块将随机选择一部分Z基下产生的光子的位置告诉第一通信模块，第一通信模块丢弃掉这些位置处的光子，将剩余光子组成的序列M；
第一通信模块对序列M中的量子态进行编码，第一通信模块在编码信息的过程中，随机地选取一些位置的光子加载用于安全性检测的随机编码，生成编码后的光子序列M'；
第一通信模块将光子序列M'发送给第二通信模块，第二通信模块收到光子序列M'后，第一通信模块公布随机编码的位置和操作信息，第二通信模块把其他光子存储到量子存储器中，然后按照原来的制备基对安全性光子进行测量并对比错误率来判断第二次传输是否安全；如果错误率高于设定的阈值，则第二轮光子传输过程不安全，双方终止通信；若错误率低于设定的阈值，则认为第二轮光子传输过程安全，则第二通信模块从量子存储器中提取出编码后的光子，使用原制备基对其进行测量，通过比对初始态和测量结果来解码信息。
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