CN211670865U - 一种基于ghz纠缠态的三用户测量设备无关qkd系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于GHZ纠缠态的三用户测量设备无关QKD系统，其包含四个发送方及三个测量方；所述第一、第二、第三发送方相互之间通过经典信道连接，三个发送方与三个测量方直接通过量子信道连接；第四发送方通过量子信道与第一、第二、第三测量方连接。所述第一、第二、第三发送方发送单光子偏振态，第四发送方发送GHZ纠缠态。由第一、第二、第三、第四发送方制备的粒子在第一、第二、第三测量方发生干涉，进行Bell态测量，形成码值。本实用新型提供了一种三用户量子密钥分发的方式，同时大大增加了通信的距离，且能抵抗对测量设备进行的攻击，即本系统中第一、第二、第三测量方均可为非可信端。
Description
技术领域
本实用新型涉及量子保密通信及光通信领域，具体涉及一种基于GHZ纠缠态的三用户测量设备无关QKD系统。
背景技术
量子密钥分发技术(QKD)是一种基于量子力学与信息论的应用于量子保密通信(Quantum Cryptography)中的一项重要技术。在存在窃听者(Eve)存在的情况下，通信双方(Alice、Bob)在量子通信无条件安全性的理论基础上进行保密通信。1984年，Bennett 等人提出了第一个QKD协议——BB84协议。但由于实际系统与理论上存在着差异，使得实际系统存在着各种各样的漏洞，从而Eve通过这些漏洞能对通信过程进行攻击。为应对系统存在的各种问题，许多协议陆续被提出。而为了应对由测量设备所引起的攻击，2012年， Lo等人提出了测量设备无关(Measurement-Device-independent)的量子密钥分发协议，简称MDI-QKD协议。在MDI-QKD协议中，Alice和Bob只负责制备量子态，由第三方Charlie 对Alice与Bob制备的量子态进行测量，从而产生密钥，其中第三方是可以不可信的。
随着量子保密通信的持续发展，两方的量子密钥分发已不能满足现在的需求，多方量子密钥分发的诞生突破了单路通信的限制，使得量子保密通信真正实用化。多方量子密钥分发可用于多方量子通信，使多用户能同时拥有统一密钥以进行多方同时的保密通信。
GHZ(Greenberger-Horne-Zeilinger)态是1989年由Greenberger等人提出的一种多量子纠缠态，是现今运用在多方量子保密通信中的一种常用纠缠态。在基于偏振的GHZ未测量的情况下，状态未知，当用不同的测量基测量时会产生特有的偏振态。因此，其在Z 基下的多粒子纠缠形式可表示为
当其由三粒子组成时，其表达形式为
因为在测量后量子态会随机塌缩成一种形式，则在Z基下GHZ态有八种形式
2015年Fu等人对基于GHZ态的MDI-QKD协议进行了研究，主要应用于量子秘密共享(Quantum Secret Sharing，QSS)及量子保密会议(Quantum CryptographicConferencing， QCC)之中，但其主要是用GHZ态替代了Bell态进行投影测量，并没有真正意义上运用GHZ 态进行量子密钥分发。
实用新型内容
为了解决上述技术问题，本实用新型的提供一种在线监测、实时分析、网络化和智能化单相智能表的现场在线监测设备。
为实现上述目的，本实用新型采取的技术方案如下：
本实用新型的目的是克服现有技术存在的问题，提出了一种传输距离长、可多方密钥分发的基于GHZ纠缠态的三用户测量设备无关QKD系统。
所述GHZ纠缠态为基于偏振纠缠的GHZ态，在本专利中采用三粒子偏振纠缠的GHZ纠缠态
(可拓展至多粒子，如
及其他GHZ态粒子，如
根据量子力学的内容，该纠缠态在测量后会以等概率塌缩成
或
且不同的测量基会使GHZ态塌缩至不同的基上，即用Z基测量会得到竖直偏振态或水平偏振态的粒子，而如果用X基测量会得到 45°偏振态或135°偏振态的粒子。同时当第一测量者对一个三粒子GHZ态进行测量后，第二、第三及后续的测量者的测量并不会改变该GHZ粒子的偏振态。
所述测量设备无关(Measurement-Device-Independent.MDI)为一种抗测量设备攻击的QKD方式。具体的，一组最原始的MDI-QKD系统由两个发送方Alice、Bob及一个测量方Charlie组成，具体成码方式如下：1、Alice与Bob制备一个单光子偏振态；2、Alice、Bob将所制备的单光子偏振态发送至Charlie端；3、来自Alice与Bob的两个单光子在 Charlie端的BS分束器上发生双光子干涉；4、通过Bell态的投影测量产生响应，根据表 1的编码方式生成初始密钥(其中√为成码，×为不成码)；5、经过监听检测、无码分析、隐私放大等后处理过程，最终形成Alice与Bob同时拥有的统一的安全密钥。
表1 MDI-QKD测量结果与编码方式的对应
| 测量结果 | HH | HV | VH | VV | ++ | +- | -+ | -- |
| |ψ-＞ | × | √ | √ | × | × | √ | √ | × |
| |ψ+＞ | × | √ | √ | × | √ | × | × | √ |
在本实用新型中，所述的多用户密钥分发是一种使多个合法用户能同时共享一个统一密钥的方式。具体的，在本实用新型中主要叙述的是三用户的量子密钥分发方式。其包含三组原始MDI-QKD系统，将每一组的第二发送方改为连接一个共同的GHZ纠缠源。
为达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案：一种基于GHZ纠缠态的三用户测量设备无关QKD系统，包括第一发送方、第二发送方、第三发送方、第四发送方、第一测量方、第二测量方和第三测量方；
所述第一发送方、第二发送方和第三发送方通过经典信道连接，所述第一发送方、第二发送方、第三发送方通过量子信道分别与第一测量方、第二测量方和第三测量方连接；
所述第四发送方为GHZ态纠缠源，所述为GHZ态纠缠源具有3个输出端口，3个所述输出端口通过量子信道分别与第一测量方、第二测量方和第三测量方连接。
优选地，第一发送方、第二发送方、第三发送方均为单光子源。
优选地，所述第一发送方、第二发送方和第三发送方均包括单光子源由衰减相干光源、幅度调制器及偏振调制器。
优选地，所述第一测量方、第二测量方和第三测量方均包括一个分束器BS、两个偏振分束器PBS、两个水平探测器D1H、D2H和两个垂直探测器D1V、D2V。
优选地，所述两个偏振分束器PBS分别与所述分束器BS连接，任意一个偏振分束器PBS 分别连接一个垂直探测器和一个水平探测器。
优选地，所述GHZ态纠缠源的三个输出端口分别为第一至第三输出端口，所述第一输出端与第一测量方的分束器BS相连，第二输出端与第二测量方的分束器BS相连，第三输出端与第三测量方的分束器BS相连。
且该GHZ态纠缠源根据用户之间初始的协商可制备不同的基于偏振纠缠GHZ纠缠态，在本实用新型中通过GHZ纠缠态
来表述实现过程，实际应用中可制备
等其他的GHZ纠缠态。
根据不同的GHZ纠缠态，用户所形成的码有可能需进行比特翻转，例如若制备的GHZ 纠缠态是
则第二发送方成码时需进行比特翻转 (若以第一发送方发送方所成码为基准)。
本实用新型有益的技术效果：
1、本发明采用基于偏振的GHZ纠缠态实现了一种三方的量子密钥分发系统；
2、本发明结构简单，实现容易，技术成熟可靠；
3、本发明为测量设备无关系统，可抵抗针对测量设备的一切攻击；
4、本发明通过增加量子纠缠源的方式增大了损耗容忍度，增加了量子保密通信的距离；
附图说明
图1为本发明的第一发送方Alice的结构图；
图2为本发明的第二发送方Bob的结构图；
图3为本发明的第三发送方Charlie的结构图；
图4为本发明的第四发送方David的结构图；
图5为本发明的第一测量方Ethan的结构图；
图6为本发明的第二测量方Felix的结构图；
图7为本发明的第三测量方Gavin的结构图；
图8为本发明的整体结构图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本实用新型进行进一步详细说明，但本实用新型要求保护的范围并不局限于下述具体实施例。
如图8所示，一种基于GHZ纠缠态的三用户测量设备无关QKD系统，包含四个发送方(第一发送方Alice、第二发送方Bob、第三发送方Charlie、第四发送方David)，三个测量方(第一测量方Ethan、第二测量方Felix、第三测量方Gavin)，其中所述的第一发送方、第二发送方、第三发送方通过经典信道连接；
具体的第一发送端、第二发送端、第三发送端均为单光子源，第四发送端为GHZ纠缠源。
由于真单光子源难以获取，如图1、2、3所示单光子源为伪单光子源，由弱相干脉冲(Weak Coherent Pulse，WCP1、WCP2、WCP3)、偏振调制器(Polarization Modulator,Pol-M1、 Pol-M2、Pol-M3)、强度调制器(Intensity Modulator，Decoy-IM1、Decoy-IM2、Decoy-IM3) 组成，其中强度调制器用于产生诱惑态(Decoy-state)，因此具体的产生单光子的方式是，通过弱相干脉冲产生单光子，通过偏振调制器，对光量子的偏振态进行调制，后经过强度调制器，调制出不同强度的单光子，以作为诱惑态，其中，诱惑态用于监听检测；
对于所述的对光量子进行偏振态调制，具体实施方式是：通过随机数发生器产生两个随机比特，即比特0或比特1。其中一个随即比特用于随机选取Z基或X基，再根据另一个随机比特随机选择偏振态，根据随机比特值对应的偏振态，加载于单光子上，例如：通过随机数产生器，产生比特值0和比特值0，则选择X基，并在单光子上加载45度偏振态。
如图4所示，第四发送方是一个GHZ纠缠源，其有三个输出端，分别为第一输出端、第二输出端、第三输出端。
如图8所示，当第一发送方Alice(第二发送方Bob、第三发送方Charlie)将已制备完毕的粒子发送至第一测量方Ethan(第二测量方Felix、第三测量方Gavin)的同时，第四发送方David也将其制备的GHZ纠缠态中的粒子D1(D2、D3)发送至第一测量方Ethan(第二测量方Felix、第三测量方Gavin)。
如图5、6、7所示第一测量方、第二测量方、第三测量方的结构图，每个测量方包含一个分束器BS、两个偏振分束器PBS、四个探测器(包含两个垂直偏振态探测器及两个竖直偏振态探测器)。当第一发送方Alice(第二发送方Bob、第三发送方Charlie)制备的粒子及第四发送方制备的GHZ纠缠态粒子D1(D2、D3)到达BS时，发生双光子干涉，基于半透半反镜的物理原理，两个粒子发生双光子干涉后产生Bell态，触发探测器的响应(响应对应的结果与经典MDI-QKD相同)。即，若Alice端发送竖直偏振态|V＞且首先与David制备的纠缠态产生干涉，经过测量，David若塌缩成
则无法成码，若塌缩成
则有可能触发探测器D1H、D2V，若此时第二测量方、第三测量方探测结果也为一个竖直偏振态探测器和一个水平偏振态探测器产生响应，则可成码，由三个探测器的响应可推知第一发送方、第二发送方、第三发送方发送的均为同一偏振态，则可以该偏振态所代表码值即比特1。以此类推，可以得到一段由第一发送方、第二发送方、第三发送方所共有的原始密钥。将原始密钥经过误码检测、保密增强等步骤后形成最终共有的安全密钥。
一种基于GHZ纠缠态的三用户测量设备无关QKD系统，实现量子密钥粉分发包括以下步骤：
步骤一：制备待测量粒子：第一发送方Alice、第二测发送方Bob、第三发送方Charlie 通过单光子源制备加载了随机偏振态的单光子，第四发送方David制备三粒子GHZ纠缠态；
步骤二：发送待测粒子：第一发送方Alice将制备的粒子发送至第一测量方Ethan，第二发送方Bob将制备的粒子发送至第二测量方Felix，第三发送方Charlie将制备的粒子发送至第三测量方Gavin，第四发送方David将制备的GHZ纠缠态的三个粒子分别通过第一发送端、第二发送端、第三发送端发送至第一测量端Ethan、第二测量端Felix、第三测量端Gavin；
步骤三：对待测粒子进行测量：Alice制备的粒子与David发送的粒子在Ethan端进行 Bell态测量，Bob制备的粒子与David发送的粒子在Felix端进行Bell态测量，Charlie制备的粒子与David发送的粒子在Gavin端进行Bell态测量；
步骤四：形成原码：根据初始商定的GHZ态及MDI成码方式形成原码；
步骤五：窃听检测：根据Alice、Bob、Charlie将部分原始密钥公开，进行误码率计算，与理论误码范围进行比对，若误码率超过可信范围，则终止本轮协议，重新开始；
步骤六：数据后处理：Alice、Bob及Charlie对所生成的密钥进行数据后处理，包括数据协商和保密增强等步骤，最终得到m比特相同的安全密钥。
根据不同的GHZ纠缠态，用户所形成的码有可能需进行比特翻转，例如若制备的GHZ纠缠态是
则第二发送方Bob成码时需进行比特翻转 (若以第一发送方Alice所成码为基准)。
本发明采用基于偏振的GHZ纠缠态实现了一种三方的量子密钥分发系统；
本发明结构简单，实现容易，技术成熟可靠；
本发明为测量设备无关系统，可抵抗针对测量设备的一切攻击；
本发明通过增加量子纠缠源的方式增大了损耗容忍度，增加了量子保密通信的距离；
根据上述说明书的揭示和教导，本实用新型所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本实用新型并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对实用新型的一些修改和变更也应当落入本实用新型的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对实用新型构成任何限制。
Claims (6)
1.一种基于GHZ纠缠态的三用户测量设备无关QKD系统，其特征在于：包括第一发送方、第二发送方、第三发送方、第四发送方、第一测量方、第二测量方和第三测量方；
所述第一发送方、第二发送方和第三发送方通过经典信道连接，所述第一发送方、第二发送方、第三发送方通过量子信道分别与第一测量方、第二测量方和第三测量方连接；
所述第四发送方为GHZ态纠缠源，所述GHZ态纠缠源具有3个输出端口，3个所述输出端口通过量子信道分别与第一测量方、第二测量方和第三测量方连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于GHZ纠缠态的三用户测量设备无关QKD系统，其特征在于：第一发送方、第二发送方、第三发送方均为单光子源。
3.根据权利要求2所述的一种基于GHZ纠缠态的三用户测量设备无关QKD系统，其特征在于，所述第一发送方、第二发送方和第三发送方均包括单光子源由衰减相干光源、幅度调制器及偏振调制器。
4.根据权利要求1所述的一种基于GHZ纠缠态的三用户测量设备无关QKD系统，其特征在于，所述第一测量方、第二测量方和第三测量方均包括一个分束器BS、两个偏振分束器PBS、两个水平探测器D1H、D2H和两个垂直探测器D1V、D2V。
5.根据权利要求4所述的一种基于GHZ纠缠态的三用户测量设备无关QKD系统，其特征在于，所述两个偏振分束器PBS分别与所述分束器BS连接，任意一个偏振分束器PBS分别连接一个垂直探测器和一个水平探测器。
6.根据权利要求5所述的一种基于GHZ纠缠态的三用户测量设备无关QKD系统，其特征在于，所述GHZ态纠缠源的三个输出端口分别为第一输出端口、第二输出端口和第三输出端口，所述第一输出端口与第一测量方的分束器BS相连，第二输出端口与第二测量方的分束器BS相连，第三输出端口与第三测量方的分束器BS相连。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114337845A (zh) * | 2021-12-24 | 2022-04-12 | 南京邮电大学 | 基于单光子超编码的测量设备无关量子秘密共享方法 |
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2019
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN114337845A (zh) * | 2021-12-24 | 2022-04-12 | 南京邮电大学 | 基于单光子超编码的测量设备无关量子秘密共享方法 |
| CN114337845B (zh) * | 2021-12-24 | 2023-11-03 | 南京邮电大学 | 基于单光子超编码的测量设备无关量子秘密共享方法 |
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