CN114679224A - 基于超编码的测量设备无关确定性安全量子通信方法 - Google Patents

基于超编码的测量设备无关确定性安全量子通信方法 Download PDF

Info

Publication number
CN114679224A
CN114679224A CN202210265621.7A CN202210265621A CN114679224A CN 114679224 A CN114679224 A CN 114679224A CN 202210265621 A CN202210265621 A CN 202210265621A CN 114679224 A CN114679224 A CN 114679224A
Authority
CN
China
Prior art keywords
user
freedom
degree
polarization
states
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
CN202210265621.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114679224B (zh
Inventor
盛宇波
云星龙
周澜
钟伟
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 CN202210265621.7A priority Critical patent/CN114679224B/zh
Publication of CN114679224A publication Critical patent/CN114679224A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114679224B publication Critical patent/CN114679224B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • 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
    • 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
    • H04B10/50—Transmitters
    • H04B10/516—Details of coding or modulation
    • 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
    • H04B10/50—Transmitters
    • H04B10/516—Details of coding or modulation
    • H04B10/532—Polarisation modulation
    • 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
    • H04B10/80—Optical aspects relating to the use of optical transmission for specific applications, not provided for in groups H04B10/03 - H04B10/70, e.g. optical power feeding or optical transmission through water
    • H04B10/85—Protection from unauthorised access, e.g. eavesdrop protection
    • 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
    • H04L9/0858—Details about key distillation or coding, e.g. reconciliation, error correction, privacy amplification, polarisation coding or phase coding

Landscapes

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

Abstract

本发明提供了一种基于超编码的测量设备无关确定性安全量子通信方法，用户A和用户B各自随机选择直角基或对角基在极化和动量自由度编码单光子，并发送给探测方C。C利用线性光学装置进行时间片段辅助的超纠缠贝尔态测量并公布测量结果。然后，A和B公布制备基，B根据超纠缠贝尔态测量结果以及自己在光子两自由度的编码，可得到A传递的原始密文。随后双方通过纠错和放大，得到最终的安全密文。最后，A通过经典信道将密钥发送给B，B可使用密钥将恢复出密文中的秘密信息，实现信息的安全传输。本发明能有效抵御所有来自探测器端的攻击,使用极化‑动量两自由度超编码可提高单光子的信道容量，可有效提高通信效率。

Description

基于超编码的测量设备无关确定性安全量子通信方法
技术领域
本发明涉及一种基于超编码的测量设备无关确定性安全量子通信方法，属于量子通信的领域。
背景技术
量子安全直接通信(QSDC)和确定性安全量子通信(DSQC)是量子保密通信领域的两个重要分支。QSDC允许以确定和安全的方式直接传输秘密消息，而不用提前形成密钥；而DSQC允许信息发送方通过量子信道向信息接收方传输随机密文，双方再通过授权的经典信道传递密钥，信息接收方使用密钥解读出秘密信息。虽然在DSQC需要双方交换了经典密钥，但经典资源比量子资源便宜得多，从而提高信息传输效率和传输的安全性。因此，DSQC一直受到人们的关注。
在实际的DSQC中，为了消除窃听者针对探测器端的所有攻击，研究者提出了测量设备无关DSQC(MDI-DSQC)协议。它将所有的测量任务交给了第三方(不可信，甚至完全被Eve控制)，因此，测量装置可以作为一个黑匣子使用，通信方Alice和Bob只需要制备量子态并且保护他们制备的态的信息不泄露即可。MDI-DSQC可以抵御所有针对测量设备的攻击。然而，MDI-DSQC的通信效率较低，严重制约了MDI-DSQC的发展。使用超编码(在光子的多个自由度独立编码)可有效提高光子的信道容量，且每个自由度可以独立地操作，已被广泛采用于量子保密通信领域以提高通信效率。因此，我们可以将超编码思想引入到MDI-DSQC中。然而，使用超编码的保密通信协议通常需要超纠缠贝尔态测量(完全区分超纠缠态)。目前的完全超纠缠贝尔态分析协议都是基于非线性光学原件，在当前实验条件下难以实现。这阻碍了基于超编码的MDI-DSQC协议的实用化。
有鉴于此，确有必要提出一种基于超纠缠贝尔态测量的量子安全通信方法，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于超编码的测量设备无关确定性安全量子通信方法，以抵御所有针对探测器端的攻击，同时，超编码可增加单光子的信道容量，提高了方案通信概率。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于超编码的测量设备无关确定性安全量子通信方法，主要包括：
步骤1，用户A和用户B随机选择直角基或对角基对光子的动量和极化自由度进行编码，并分别把编码后的单光子通过量子信道发送给探测方C；
步骤2，探测方C对用户A和用户B发送的单光子进行基于时间片段辅助的超纠缠贝尔态测量并公布测量结果；
步骤3，用户A和用户B分别公布光子在极化自由度和动量自由度上的制备基，若双方在光子的某自由度的制备基相同，则双方保留该自由度的编码信息和贝尔态测量结果，反之，若双方在光子的某自由度的制备基不同，则双方舍弃该自由度的编码信息及贝尔态测量结果；
步骤4，根据测量方C的测量结果以及用户A和用户B在两个自由度上的制备基，用户B对自己在两个自由度上的编码数据做相应的比特翻转或恒等操作以得到A的编码信息作为原始密文；
步骤5，用户A和用户B不断重复步骤1至步骤4，直到达到想要发送的密文数；
步骤6，用户A和用户B在两个自由度中均拿出一部分原始密文数据作为安全性检测比特来检测两个自由度的比特错误率，如果任一自由度的比特错误率超过了设定的误码率阈值，说明存在窃听或测量方C的欺骗，则放弃此次通信过程；否则，若两个自由度的错误率均低于设定的阈值，则说明光子传输过程安全，保留剩余部分的原始密文，并在公开信道中进行纠错和放大，完成最后安全密文的发送；
步骤7，用户A通过一经过身份认证的经典信道将密钥发送给用户B；
步骤8，用户B使用密钥将秘密信息恢复出来。
作为本发明的进一步改进，在步骤1中，用户A和用户B随机选择直角基和对角基来编码动量和极化自由度的光子态；其中，极化自由度的编码包括四个态，形式如下：
{|H>,|V>,|+>P,|->P}
其中，|H>和V>分别是光子的水平和垂直偏振状态，对应于极化自由度的直角基；
Figure BDA0003551695130000031
对应于极化自由度的对角基；|H>和|+>P代表编码信息0，|V>和|->P代表编码信息1；
动量自由度包括四个态，形式如下：
{|l>,|r>,|+>S,|->S}
其中，|l>和|r>分别对应于光子的两种动量模式且对应于动量自由度的直角基；
Figure BDA0003551695130000032
对应于动量自由度的对角基；|l>和|+>S代表编码信息0，|r>和|->S代表编码信息1。
作为本发明的进一步改进，在步骤(1)中，用户A和用户B对于单光子的动量自由度的编码方法为：
若用户A和用户B需要制备|l>或|r>，只需要让光子通过相应的路径即可；如果用户A和用户B需要制备
Figure BDA0003551695130000033
和
Figure BDA0003551695130000034
两个态，则需先制备|l>或|r>，再让光子再通过一个50:50分束器，使得|l>→|+>S，|r>→|->S。
作为本发明的进一步改进，所述用户A和用户B可分别制备16种不同的单光子，对应4种编码信息，具体如下：
若编码信息为00，则对应的单光子是如下四种之一：
Figure BDA0003551695130000041
若编码信息为01，则对应的单光子是如下四种之一：
Figure BDA0003551695130000042
若编码信息为10，则对应的单光子是如下四种之一：
Figure BDA0003551695130000043
若编码信息为11，则对应的单光子是如下四种之一：
Figure BDA0003551695130000044
作为本发明的进一步改进，所述极化自由度的四个贝尔态可表示为：
Figure BDA0003551695130000045
动量自由度的四个贝尔态分别为：
Figure BDA0003551695130000046
则两个自由度的16个超纠缠贝尔态可表示为：
Figure BDA0003551695130000047
作为本发明的进一步改进，所述探测方C使用时间片段辅助的超纠缠贝尔态测量将16个超纠缠贝尔态划分成14个可区分组，前12个超纠缠贝尔态完全区分，第13组和第14组只能确定动量自由度的贝尔态，不能确定极化自由度的贝尔态，前12个完全区分的超纠缠贝尔态为：
Figure BDA0003551695130000048
第13、14组贝尔态分别为：
13组：
Figure BDA0003551695130000049
14组：
Figure BDA00035516951300000410
在探测方C进行测量完成后，公布两个自由度的测量结果。
作为本发明的进一步改进，步骤(4)中，当用户A和用户B同时选择直角基时，若任一自由度的贝尔态测量结果为
Figure BDA0003551695130000051
表示用户A和用户B在该自由度上的编码信息相同，用户B只需进行恒等操作即可获取用户A在该自由度的编码信息；若任一自由度的贝尔态测量结果为
Figure BDA0003551695130000052
表示用户A和用户B在该自由度上的编码信息相反，用户B需要对该自由度上的编码信息进行比特翻转操作才能获取用户A的编码信息；当用户A和用户B同时选择对角基时，若任一自由度的贝尔态测量结果为
Figure BDA0003551695130000053
或
Figure BDA0003551695130000054
表示用户A和用户B在该自由度上的编码信息相同，用户B只需进行恒等操作即可获取用户A在该自由度的编码信息；若任一自由度的贝尔态测量结果为
Figure BDA0003551695130000055
或
Figure BDA0003551695130000056
表示用户A和用户B在该自由度上的编码信息相反，用户B需要对该自由度上的编码信息进行比特翻转操作才能获取用户A的编码信息。
作为本发明的进一步改进，在步骤(2)中的探测方C的测量装置能完全区分动量自由度的4个贝尔态，在极化自由度，由于该贝尔态法测量无法区分第13,14组中极化贝尔态
Figure BDA0003551695130000057
若双方都选择的是直角基，则
Figure BDA0003551695130000058
都对应用户B和用户A手中的光子极化态相同，也可传递密文，若双方选择的是对角基，则
Figure BDA0003551695130000059
都对应用户B和用户A手中的光子极化态则不相同，不能传递密文，双方必须舍弃掉各自极化自由度的量子比特以及贝尔态分析结果。
本发明的有益效果是：本发明与现有技术相比，通过把所有测量交给第三方完成，可抵御所有来自测量设备端的攻击，通过在MDI-DSQC中单光子的两个自由度的独立编码，使得每个光子携带两比特的信息，这可以提高MDI-DSQC的安全性和信道容量；并且本发明中的超纠缠贝尔态测量使用线性光学器件来完成，可用现有技术实现，有效提高了方案的实用性。
附图说明
图1为本发明基于超编码的测量设备无关确定性安全量子通信方法的通信流程图。
图2为本发明基于超编码的测量设备无关确定性安全量子通信方法的原理图，其中BS代表50:50分束器，其功能为以50％的概率透射光子，50％的概率反射光子。
图3为超纠缠贝尔态测量结构示意图；其中，BS代表50:50分束器，其功能为以50％的概率透射光子，50％的概率反射光子；PBS代表极化分束器，其功能为完全透射水平偏振光子(|H>)，完全反射垂直偏振光子(|V>)。HWP代表半波片，其功能为对光子的极化特性进行翻转。
图4为不平衡干涉仪结构示意图。光学环的功能为延迟光子为t0或t1的时间间隔。
图5为在超纠缠贝尔态测量过程中，不同的探测器响应情况以及时间间隔对应的超纠缠贝尔态。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
如图1所示，本发明揭示了一种基于超编码的测量设备无关确定性安全量子通信方法，主要包括：
步骤1，用户A和用户B随机选择直角基或对角基对光子的动量和极化自由度进行编码，并分别把编码后的单光子通过量子信道发送给探测方C；
步骤2，探测方C对用户A和用户B发送的单光子进行基于时间片段辅助的超纠缠贝尔态测量并公布测量结果；
步骤3，用户A和用户B分别公布光子在极化自由度和动量自由度上的制备基，若双方在光子的某自由度的制备基相同，则双方保留该自由度的编码信息和贝尔态测量结果，反之，若双方在光子的某自由度的制备基不同，则双方舍弃该自由度的编码信息及贝尔态测量结果；
步骤4，根据测量方C的测量结果以及用户A和用户B在两个自由度上的制备基，用户B对自己在两个自由度上的编码数据做相应的比特翻转或恒等操作以得到A的编码信息作为原始密文；
步骤5，用户A和用户B不断重复步骤1至步骤4，直到达到想要发送的密文数；
步骤6，用户A和用户B在两个自由度中均拿出一部分原始密文数据作为安全性检测比特来检测两个自由度的比特错误率，如果任一自由度的比特错误率超过了设定的误码率阈值，说明存在窃听或测量方C的欺骗，则放弃此次通信过程；否则，若两个自由度的错误率均低于设定的阈值，则说明光子传输过程安全，保留剩余部分的原始密文，并在公开信道中进行纠错和放大，完成最后安全密文的发送；
步骤7，用户A通过一经过身份认证的经典信道将密钥发送给用户B；
步骤8，用户B使用密钥将秘密信息恢复出来。
在步骤1中，用户A和用户B随机选择直角基和对角基来编码动量和极化自由度的光子态；其中，极化自由度的编码包括四个态，形式如下：
{|H>,|V>,|+>P,|->P}
其中，|H>和|V>分别是光子的水平和垂直偏振状态，对应于极化自由度的直角基；
Figure BDA0003551695130000071
对应于极化自由度的对角基；|H>和|+>P代表编码信息0，|V>和|->P代表编码信息1；
动量自由度包括四个态，形式如下：
{|l>,|r>,|+>S,|->S}
其中，|l>和|r>分别对应于光子的两种动量模式且对应于动量自由度的直角基；
Figure BDA0003551695130000081
对应于动量自由度的对角基；|l>和|+>S代表编码信息0，|r>和|->S代表编码信息1。
在步骤(1)中，用户A和用户B对于单光子的动量自由度的编码方法为：
若用户A和用户B需要制备|l>或|r>，只需要让光子通过相应的路径即可；如果用户A和用户B需要制备
Figure BDA0003551695130000082
和
Figure BDA0003551695130000083
两个态，则需先制备|l>或|r>，再让光子再通过一个50:50分束器，使得|l>→|+>S，|r>→|->S。
所述用户A和用户B可分别制备16种不同的单光子，对应4种编码信息，具体如下：
若编码信息为00，则对应的单光子是如下四种之一：
Figure BDA0003551695130000084
若编码信息为01，则对应的单光子是如下四种之一：
Figure BDA0003551695130000085
若编码信息为10，则对应的单光子是如下四种之一：
Figure BDA0003551695130000086
若编码信息为11，则对应的单光子是如下四种之一：
Figure BDA0003551695130000087
所述极化自由度的四个贝尔态可表示为：
Figure BDA0003551695130000088
动量自由度的四个贝尔态分别为：
Figure BDA0003551695130000089
则两个自由度的16个超纠缠贝尔态可表示为：
Figure BDA0003551695130000091
所述探测方C使用时间片段辅助的超纠缠贝尔态测量将16个超纠缠贝尔态划分成14个可区分组，前12个超纠缠贝尔态完全区分，第13组和第14组只能确定动量自由度的贝尔态，不能确定极化自由度的贝尔态，前12个完全区分的超纠缠贝尔态为：
Figure BDA0003551695130000092
第13、14组贝尔态分别为：
13组：
Figure BDA0003551695130000093
14组：
Figure BDA0003551695130000094
在探测方C进行测量完成后，公布两个自由度的测量结果。
步骤(4)中，当用户A和用户B同时选择直角基时，若任一自由度的贝尔态测量结果为
Figure BDA0003551695130000095
表示用户A和用户B在该自由度上的编码信息相同，用户B只需进行恒等操作即可获取用户A在该自由度的编码信息。
在步骤(2)中的探测方C的测量装置能完全区分动量自由度的4个贝尔态，在极化自由度，由于该贝尔态法测量无法区分第13,14组中极化贝尔态
Figure BDA0003551695130000096
若双方都选择的是直角基，则
Figure BDA0003551695130000097
都对应用户B和用户A手中的光子极化态相同，也可传递密文，若双方选择的是对角基，则
Figure BDA0003551695130000098
都对应用户B和用户A手中的光子极化态则不相同。
下面将结合附图和具体实施例来进一步阐明本发明。
如图1所示，本发明提供一种基于极化-动量两自由度超编码和时间片段辅助的超纠缠贝尔态测量的测量设备无关确定性量子安全通信方法，包括如下步骤：
如附图2所示，用户A为Alice，用户B为Bob，探测方C为Charlie。
用户A和用户B随机选择直角基或对角基对光子的动量和极化两个自由度进行编码。首先，用户A和用户B使用极化调制器随机制备以下4个极化态之一，即：
{|H>,|V>,|+>P,|->P}
其中，|H>和|V>分别是光子的水平和垂直偏振状态，对应于极化自由度的直角基；
Figure BDA0003551695130000101
对应于极化自由度的对角基；|H>和|+>P代表编码信息0，|V>和|->P代表编码信息1；
动量自由度包括四个态，形式如下：
{|l>,|r>,|+>S,|->S}
其中，|l>和|r>分别对应于光子的两种动量模式且对应于动量自由度的直角基；
Figure BDA0003551695130000102
对应于动量自由度的对角基；|l>和|+>S代表编码信息0，|r>和|->S代表编码信息1。
如果用户A和用户B需要制备|l>或|r>，只需要让光子通过相应的路径即可；如果用户A和用户B需要制备
Figure BDA0003551695130000103
和
Figure BDA0003551695130000104
两个态，则需先制备|l>或|r>，再让光子再通过一个50:50分束器，使得|l>→|+>S，|r>→|->S。
因此，用户A和用户B可分别制备16种不同的单光子，对应4种编码信息，具体如下：
若编码信息为00，则对应的单光子是如下四种之一：
Figure BDA0003551695130000105
若编码信息为01，则对应的单光子是如下四种之一：
Figure BDA0003551695130000111
若编码信息为10，则对应的单光子是如下四种之一：
Figure BDA0003551695130000112
若编码信息为11，则对应的单光子是如下四种之一：
Figure BDA0003551695130000113
用户A和用户B将编码好的单光子通过量子信道发送给探测方C。探测方C的测量装置采用线性光学器件对接收到的光子对进行超纠缠贝尔态测量。
探测方C的超纠缠贝尔态测量原理图如图3,4所示。上述超纠缠光子对在极化自由度的四个贝尔态可表示为：
Figure BDA0003551695130000114
动量自由度的四个贝尔态分别为：
Figure BDA0003551695130000115
则探测方C处的极化-动量超纠缠光子对可处于以下16种超纠缠贝尔态：
Figure BDA0003551695130000116
探测方C使用时间片段辅助的超纠缠贝尔态测量可将上述16个超纠缠贝尔态划分成14个可区分组，前12个超纠缠贝尔态完全区分，第13组和第14组只能确定动量自由度的贝尔态，不能区分极化自由度的
Figure BDA0003551695130000117
前12个可以完全区分的超纠缠贝尔态为：
Figure BDA0003551695130000118
第13、14组贝尔态分别为：
13组：
Figure BDA0003551695130000119
14组：
Figure BDA0003551695130000121
在探测方C进行测量完成后，公布两个自由度的测量结果。本协议使用的超纠缠贝尔态分析方案中,不同的探测器响应情况及时间间隔对应的超纠缠贝尔态见表1。
接下来，用户A和用户B分别公布光子在极化自由度和动量自由度上的制备基，若双方在光子的某自由度的制备基相同，则双方保留该自由度的编码信息和贝尔态测量结果，反之，若双方在光子的某自由度的制备基不同,则双方舍弃该自由度的编码信息及贝尔态测量结果。这里共有四种情况
第一种情况是用户A和用户B在两个自由度都选择了相同的基。假设用户A制备的态为
Figure BDA0003551695130000122
用户B制备的态为
Figure BDA0003551695130000123
然后用户A和用户B将他们制备的单光子发送给探测方C利用线性光学器件进行测量。探测方C的测量结果M可以用以下式子来表示，即：
Figure BDA0003551695130000124
此时探测方C得到的测量结果为以上四种之一，若测量结果对应于第13组可区分组，即超纠缠贝尔态测量结果为
Figure BDA0003551695130000125
或
Figure BDA0003551695130000126
此时动量自由度的贝尔态是确定的，虽然极化自由度的贝尔态不能确定是
Figure BDA0003551695130000127
还是
Figure BDA0003551695130000128
但根据后选择规则，用户B应该保持极化自由度的比特不变，翻转动量自由度的比特，得到用户A的编码信息为00。
第二种情况是用户A和用户B在极化自由度选择了相同的基，在动量自由度选择了不同的基。假设用户A制备的态为
Figure BDA0003551695130000129
用户B制备的态为
Figure BDA00035516951300001210
然后用户A和用户B将他们制备的单光子发送给探测方C利用线性光学器件进行测量。探测方C的测量结果M可以用以下式子来表示，即：
Figure BDA0003551695130000131
此时探测方C得到的测量结果为以上八种之一。若测量结果对应前12个超纠缠贝尔态，那么用户B根据测量结果以及基选择，只需要对极化自由度的比特做恒等操作，即可得到用户A在极化自由度的编码信息0。若测量结果对应13和14可区分组，因为此时用户A和用户B在极化自由度选择的是直角基来编码，所以用户B只需要对极化自由度的比特做恒等操作，即可得到用户A在极化自由度的编码信息0。
第三种情况是用户A和用户B在极化自由度选择了不同的基，在动量自由度选择了相同的基。假设用户A制备的态为
Figure BDA0003551695130000132
用户B制备的态为
Figure BDA0003551695130000133
然后用户A和用户B将他们制备的单光子发送给探测方C利用线性光学器件进行测量。探测方C的测量结果M可以用以下式子来表示，即：
Figure BDA0003551695130000141
此时探测方C得到的测量结果为以上八种之一。因为用户A和用户B只在动量自由度选择了相同的基，所以此时只考虑动量自由度的贝尔态即可。又此时动量自由度的贝尔态是确定的，根据后选择规则，用户B只需要对动量自由度的比特做比特翻转，即可得到用户A在动量自由度的比特为0。
第四种情况是用户A和用户B在极化自由度和动量自由度都选择了不同的基。假设用户A制备的态为
Figure BDA0003551695130000142
用户B制备的态为
Figure BDA0003551695130000143
此种情况两个自由度的编码信息和贝尔态测量结果均被丢弃。
这里值得注意的是，由于探测方C的测量装置能完全区分动量自由度的4个贝尔态，因此，理论上动量自由度的密文传输不受该贝尔态测量的影响。在极化自由度，由于该贝尔态法测量无法区分第13,14组中极化贝尔态
Figure BDA0003551695130000144
若双方都选择的是直角基，则
Figure BDA0003551695130000145
都对应用户B和用户A手中的光子极化态相同，也可以传递密文，若双方选择的是对角基，则
Figure BDA0003551695130000146
都对应用户B和用户A手中的光子极化态则不相同。因此，为了保证密文传递的正确性，若贝尔态分析得到了第13或14组的情况，双方在极化自由度又都是选择的对角基，双方必须舍弃掉各自极化自由度的量子比特以及贝尔态分析结果。
最后，用户A和用户B在两个自由度中均拿出一部分原始密文数据作为安全性检测比特来检测两个自由度的比特错误率，如果任一自由度的比特错误率超过了设定的误码率阈值，说明存在窃听或测量方C的欺骗，则放弃此次通信过程；否则，若两个自由度的错误率均低于设定的阈值，则说明光子传输过程安全，保留剩余部分的原始密文，并在公开信道中进行纠错和放大，完成最后安全密文的发送。
密文传输完成后，用户A通过一经过身份认证的经典信道将密钥发送给用户B。用户B即可使用密钥将密文中的秘密信息恢复出来。
综上所述，本发明与现有技术相比，通过把所有测量交给第三方完成，可抵御所有来自测量设备端的攻击，通过在MDI-DSQC中单光子的两个自由度的独立编码，使得每个光子携带两比特的信息，这可以提高量子通信的安全性和信道容量；并且本发明中的超纠缠贝尔态测量使用线性光学器件来完成，可用现有技术实现，有效提高了方案的实用性。
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。

Claims (8)

1.一种基于超编码的测量设备无关确定性安全量子通信方法，其特征在于：主要包括：
步骤1，用户A和用户B随机选择直角基或对角基对光子的动量和极化自由度进行编码，并分别把编码后的单光子通过量子信道发送给探测方C；
步骤2，探测方C对用户A和用户B发送的单光子进行基于时间片段辅助的超纠缠贝尔态测量并公布测量结果；
步骤3，用户A和用户B分别公布光子在极化自由度和动量自由度上的制备基，若双方在光子的某自由度的制备基相同，则双方保留该自由度的编码信息和贝尔态测量结果，反之，若双方在光子的某自由度的制备基不同，则双方舍弃该自由度的编码信息及贝尔态测量结果；
步骤4，根据测量方C的测量结果以及用户A和用户B在两个自由度上的制备基，用户B对自己在两个自由度上的编码数据做相应的比特翻转或恒等操作以得到A的编码信息作为原始密文；
步骤5，用户A和用户B不断重复步骤1至步骤4，直到达到想要发送的密文数；
步骤6，用户A和用户B在两个自由度中均拿出一部分原始密文数据作为安全性检测比特来检测两个自由度的比特错误率，如果任一自由度的比特错误率超过了设定的误码率阈值，说明存在窃听或测量方C的欺骗，则放弃此次通信过程；否则，若两个自由度的错误率均低于设定的阈值，则说明光子传输过程安全，保留剩余部分的原始密文，并在公开信道中进行纠错和放大，完成最后安全密文的发送；
步骤7，用户A通过一经过身份认证的经典信道将密钥发送给用户B；
步骤8，用户B使用密钥将秘密信息恢复出来。
2.根据权利要求1所述的基于超编码的测量设备无关确定性安全量子通信方法，其特征在于：在步骤1中，用户A和用户B随机选择直角基和对角基来编码动量和极化自由度的光子态；其中，极化自由度的编码包括四个态，形式如下：
{|H>,|V>,|+>P,|->P}
其中，|H>和|V>分别是光子的水平和垂直偏振状态，对应于极化自由度的直角基；
Figure FDA0003551695120000021
对应于极化自由度的对角基；|H>和|+>P代表编码信息0，|V>和|->P代表编码信息1；
动量自由度包括四个态，形式如下：
{|l>,|r>,|+>S,|->S}
其中，|l>和|r>分别对应于光子的两种动量模式且对应于动量自由度的直角基；
Figure FDA0003551695120000022
对应于动量自由度的对角基；|l>和|+>S代表编码信息0，|r>和|->S代表编码信息1。
3.根据权利要求1所述的基于超编码的测量设备无关确定性安全量子通信方法，其特征在于：在步骤(1)中，用户A和用户B对于单光子的动量自由度的编码方法为：
若用户A和用户B需要制备|l>或|r>，只需要让光子通过相应的路径即可；如果用户A和用户B需要制备
Figure FDA0003551695120000023
和
Figure FDA0003551695120000024
两个态，则需先制备|l>或|r>，再让光子再通过一个50:50分束器，使得|l>→|+>S，|r>→|->S。
4.根据权利要求1所述的基于超编码的测量设备无关确定性安全量子通信方法，其特征在于：所述用户A和用户B可分别制备16种不同的单光子，对应4种编码信息，具体如下：
若编码信息为00，则对应的单光子是如下四种之一：
Figure FDA0003551695120000025
若编码信息为01，则对应的单光子是如下四种之一：
Figure FDA0003551695120000031
若编码信息为10，则对应的单光子是如下四种之一：
Figure FDA0003551695120000032
若编码信息为11，则对应的单光子是如下四种之一：
Figure FDA0003551695120000033
5.根据权利要求1所述的基于超编码的测量设备无关确定性安全量子通信方法，其特征在于：所述极化自由度的四个贝尔态可表示为：
Figure FDA0003551695120000034
动量自由度的四个贝尔态分别为：
Figure FDA0003551695120000035
则两个自由度的16个超纠缠贝尔态可表示为：
Figure FDA0003551695120000036
6.根据权利要求5所述的基于超编码的测量设备无关确定性安全量子通信方法，其特征在于：所述探测方C使用时间片段辅助的超纠缠贝尔态测量将16个超纠缠贝尔态划分成14个可区分组，前12个超纠缠贝尔态完全区分，第13组和第14组只能确定动量自由度的贝尔态，不能确定极化自由度的贝尔态，前12个完全区分的超纠缠贝尔态为：
Figure FDA0003551695120000037
Figure FDA0003551695120000038
第13、14组贝尔态分别为：
13组：
Figure FDA0003551695120000039
14组：
Figure FDA00035516951200000310
在探测方C进行测量完成后，公布两个自由度的测量结果。
7.根据权利要求1所述的基于超编码的测量设备无关确定性安全量子通信方法，其特征在于：步骤(4)中，当用户A和用户B同时选择直角基时，若任一自由度的贝尔态测量结果为
Figure FDA0003551695120000041
表示用户A和用户B在该自由度上的编码信息相同，用户B只需进行恒等操作即可获取用户A在该自由度的编码信息；若任一自由度的贝尔态测量结果为
Figure FDA0003551695120000042
表示用户A和用户B在该自由度上的编码信息相反，用户B需要对该自由度上的编码信息进行比特翻转操作才能获取用户A的编码信息；当用户A和用户B同时选择对角基时，若任一自由度的贝尔态测量结果为
Figure FDA0003551695120000043
或
Figure FDA0003551695120000044
表示用户A和用户B在该自由度上的编码信息相同，用户B只需进行恒等操作即可获取用户A在该自由度的编码信息；若任一自由度的贝尔态测量结果为
Figure FDA0003551695120000045
或
Figure FDA0003551695120000046
表示用户A和用户B在该自由度上的编码信息相反，用户B需要对该自由度上的编码信息进行比特翻转操作才能获取用户A的编码信息。
8.根据权利要求1所述的基于超编码的测量设备无关确定性安全量子通信方法，其特征在于：在步骤(2)中的探测方C的测量装置能完全区分动量自由度的4个贝尔态，在极化自由度，由于该贝尔态法测量无法区分第13，14组中极化贝尔态
Figure FDA0003551695120000047
若双方都选择的是直角基，则
Figure FDA0003551695120000048
都对应用户B和用户A手中的光子极化态相同，也可传递密文，若双方选择的是对角基，则
Figure FDA0003551695120000049
都对应用户B和用户A手中的光子极化态则不相同，不能传递密文，双方必须舍弃掉各自极化自由度的量子比特以及贝尔态分析结果。
CN202210265621.7A 2022-03-17 2022-03-17 基于超编码的测量设备无关确定性安全量子通信方法 Active CN114679224B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210265621.7A CN114679224B (zh) 2022-03-17 2022-03-17 基于超编码的测量设备无关确定性安全量子通信方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210265621.7A CN114679224B (zh) 2022-03-17 2022-03-17 基于超编码的测量设备无关确定性安全量子通信方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114679224A true CN114679224A (zh) 2022-06-28
CN114679224B CN114679224B (zh) 2024-02-02

Family

ID=82073257

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210265621.7A Active CN114679224B (zh) 2022-03-17 2022-03-17 基于超编码的测量设备无关确定性安全量子通信方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114679224B (zh)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103441819A (zh) * 2013-08-28 2013-12-11 北京航空航天大学 基于epr对和单光子的确定性安全量子通信方法及装置
CN108599942A (zh) * 2018-05-03 2018-09-28 浙江工商大学 不带纠缠的测量-重发半量子隐私比较方法
KR20180128281A (ko) * 2017-05-23 2018-12-03 경희대학교 산학협력단 결정론적 보안 양자 통신 방법 및 기기
CN112272085A (zh) * 2020-10-14 2021-01-26 南京邮电大学 一种基于时间片段辅助贝尔态测量的测量设备无关量子密钥分发方法
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 (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103441819A (zh) * 2013-08-28 2013-12-11 北京航空航天大学 基于epr对和单光子的确定性安全量子通信方法及装置
KR20180128281A (ko) * 2017-05-23 2018-12-03 경희대학교 산학협력단 결정론적 보안 양자 통신 방법 및 기기
CN108599942A (zh) * 2018-05-03 2018-09-28 浙江工商大学 不带纠缠的测量-重发半量子隐私比较方法
CN112272085A (zh) * 2020-10-14 2021-01-26 南京邮电大学 一种基于时间片段辅助贝尔态测量的测量设备无关量子密钥分发方法
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 (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
崔政霞: "基于多自由度超编码的测量设备无关的量子通信协议研究", 南京邮电大学, vol. 2021, no. 03, pages 2 - 3 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN114679224B (zh) 2024-02-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Gao et al. Quantum private query: A new kind of practical quantum cryptographic protocol
CN109327308B (zh) 一种具有双向身份认证功能的量子密钥分发方法及系统
Dušek et al. Quantum identification system
Ekert et al. Eavesdropping on quantum-cryptographical systems
KR100631242B1 (ko) 양자 송신 장치, 양자 수신 장치, 양자 암호 통신 장치 및양자 암호 통신 방법
CN109194479B (zh) 基于单光子多自由度的测量设备无关的量子密钥分发方法
Niemiec et al. Management of security in quantum cryptography
US20130016835A1 (en) Apparatus and method for distributing a string of secret bits over a quantum channel
CN112272085B (zh) 一种基于时间片段辅助贝尔态测量的测量设备无关量子密钥分发方法
CN111245608A (zh) 基于单光子三个自由度的测量设备无关的量子密钥分配方法
Niemiec et al. The measure of security in quantum cryptography
Li et al. The Security Analysis of Quantum SAGR04 Protocol in Collective‐Rotation Noise Channel
RU2730554C1 (ru) Способ выявления атаки на квантовые состояния в квантовом канале связи
Zhu et al. Enhancing the performance of the measurement-device-independent quantum key distribution with heralded pair-coherent sources
Anghel et al. A comparison of several implementations of b92 quantum key distribution protocol
CN115001704B (zh) 一种四强度诱骗态量子数字签名方法
RU2325763C2 (ru) Способ съема информации с волоконно-оптического канала
CN114679224B (zh) 基于超编码的测量设备无关确定性安全量子通信方法
CN114268432A (zh) 基于单光子源的设备无关量子安全直接通信方法
Qin et al. Quantum key distribution with single-particle and Bell state
Kuhn Vulnerabilities in Quantum Key Distribution Protocols
El Rifai Quantum secure communication using polarization hopping multi-stage protocols
CN115834057B (zh) 一种量子安全直接通信方法
Fauzia Quantum Cryptography
CN114157418B (zh) 一种基于量子网络的可信数据上链装置及方法

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