一种基于光子角动量编码实现匿名投票方法及系统与流程

本发明涉及量子信息加密领域，更具体地，涉及一种基于光子角动量编码实现匿名投票方法及系统。

背景技术：

量子通信相比于经典通信而言尤其更好的优势，比如无条件安全和高效传输。从1982年法国物理学家艾伦艾伦·爱斯派克特和他的小组顺利完成一项实验证实了微观粒子“量子纠缠”的现象确实存在到现在，经过二十多年的发展，量子通信已经逐步从理论走向实验并向实用化发展。2013年中国科学技术大学郭光灿院士领导的研究小组通过两个磁光阱制备了两个冷原子团，利用一个冷原子团通过非线性过程制备标记单光子并过螺旋相位片使该光子携带一定的轨道角动量，具有特殊的空间结构。而后利用电磁诱导透明效应将其存储在另一个作为存储介质的冷原子团中，实验结果清楚的证明了单光子携带角动量可以高保真地被存储，证明了建立高维量子存储单元的可行性，使量子信息传输迈出关键的一步。

一个理想的投票方法一般要满足每个人的投票次数不超过一次，只有授权的投票者才能投票，且每个投票者不知道他人的选票，也不能复制他人的选票更不能修改他人的选票，最后要保证每个投票者的选票都被计算在内。目前所采用的经典投票方案一般是由各个投票者共享并且其安全性是基于数学问题的经典信息来保证其安全，因此从理论上其安全性是相对脆弱的。近些年来随着量子技术的发展，一些研究者利用粒子的纠缠特性，研究了其在光量子投票中的应用，使得该量子投票方案具有量子力学保证的安全性和隐匿性，并且利用量子身份认证可以有效的授权投票者。然而纠缠态制备和维持比单光子要难得多，因此目前大多数量子投票方案有很大的局限性。

技术实现要素：

本发明提供一种实现简单、高效安全的基于光子角动量编码实现匿名投票方法。

本发明的又一目的在于提供一种基于光子角动量编码实现匿名投票系统。

为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：

一种基于光子角动量编码实现匿名投票方法，包括以下步骤：

S1：分发中心制备一组光子序列，该光子序列中的每个光子的轨道角动量状态处于|0＞态，并发送给任意一名投票者；

S2：每一名投票单元向监管模块发送他的ID，监管模块根据ID设置该投票单元的投票规则；

S3：设第一名投票单元，遵循自身的意愿并根据自身的投票规则，对来自分发中心的|0>态光子进行投票编码投票后的单光子量子态变为并将|ψ₁＞发送给下一个投票者单元；

第二个投票单元对接受到的单光子量子态做上述的操作得到以此类推，当第N个投票单元投完票后该光子的量子态为并将投票后的量子态发送给计票模块；

S4：计票者接受所有投票最终投票的光子的量子态|ψ_N＞，并根据监管模块分配的测量规则进行测量，得到相应的票数。

进一步地，所述步骤S2中的投票规则制定过程是：

令每个投票单元的投票规则数组对为{c_i,m_i}，其中c_i＝{0,1,3}表示做量子傅立叶变换的次数，m_i表示投票规则即当m_i＝0时，{X,Z}＝{Yes,No}，当m_i＝1时，{X,Z}＝{No,Yes}，其中投票者V_i的局部量子操作V⁽ⁱ⁾＝{X,Z}＝{Yes,No}，即投票者选择操作X标着赞同，Z操作表示不赞同。

进一步地，所述步骤S3中进行单光子量子态编码的过程是：

设高维度量子空间的维度为d，d为大于等于N的任意整数；

构造量子空间中的两个幺正算子即可扩展的泡利门，其中位移操作算子定为:

相位操作算子定义为其中参数ω＝e^2πi/d；

量子傅立叶变换算子定义为

每名投票者对上一投票者的结果做编码操作当单光子态落在计算基态时即B＝|k＞0,0≤k≤d-1|，相位操作算子Z对单光子角动量大小无任何影响即X|k＞＝|k+1＞,Z|k＞＝ω^k|k＞，而当单光子态落在计算基对应的傅立叶变换基态上时即相移操作算子X对光子的角动量大小无任何影响即Z|ξ_k＞＝ξ_k-1＞，X|ξ_k＞＝ω^-k|ξ_k＞。

进一步地，所述投票单元按照自己的投票规则进行投票的过程是：

其中V^(k)表示每个投票者的投票，|ψ＞表示该系统中单光子最终的状态，a_i、b_i表示每名投票者根据投票规则{c_i,m_i}，选择的编码操作且a_i,b_i＝{0,1}。

优选地，所述监管模块通过BB84协议来分发投票规则。

一种基于光子角动量编码实现匿名投票系统，包括：

分发中心，用于制备和分发光子序列；

监管模块，用于制定每一投票单元的投票规则，并给计票模块分配测量规则；

若干投票单元，每一个投票单元自己的投票规则来进行投票编码；

计票模块，接受所有投票单元发送的光子，并根据监管模块分配的测量规则在计算基或者对应的量子傅立叶变换基下测量，得到最终的投票结果。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明方法通过分发中心制备一组光子序列，并发送给任意一名投票者；每一名投票单元向监管模块发送他的ID，监管模块根据ID设置该投票单元的投票规则得到投票后的量子态发送给计票模块；计票者接受所有投票最终投票的光子的量子态，并根据监管模块分配的测量规则进行测量，得到相应的票数，本方法基于单量子态，更容易制备和维持，实现起来更加简单高效。

附图说明

图1为本发明方法的步骤流程图；

图2为本发明方法之实施例的路线图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

如图1-2所示，一种基于光子角动量编码实现匿名投票方法，包括以下步骤：

S1：分发中心制备一组光子序列，该光子序列中的每个光子的轨道角动量状态处于|0＞态，并发送给任意一名投票者；

S2：每一名投票单元向监管模块发送他的ID，监管模块根据ID设置该投票单元的投票规则，其中，监管模块通过BB84协议来分发投票规则；

S3：设第一名投票单元，遵循自身的意愿并根据自身的投票规则，对来自分发中心的|0>态光子进行投票编码投票后的单光子量子态变为并将|ψ₁＞发送给下一个投票者单元；

第二个投票单元对接受到的单光子量子态做上述的操作得到以此类推，当第N个投票单元投完票后该光子的量子态为并将投票后的量子态发送给计票模块；

S4：计票者接受所有投票最终投票的光子的量子态|ψ_N＞，并根据监管模块分配的测量规则进行测量，得到相应的票数。

步骤S2中的投票规则制定过程是：

令每个投票单元的投票规则数组对为{c_i,m_i}，其中c_i＝{0,1,3}表示做量子傅立叶变换的次数，m_i表示投票规则即当m_i＝0时，{X,Z}＝{Yes,No}，当m_i＝1时，{X,Z}＝{No,Yes}，其中投票者V_i的局部量子操作V⁽ⁱ⁾＝{X,Z}＝{Yes,No}，即投票者选择操作X标着赞同，Z操作表示不赞同。

步骤S3中进行单光子量子态编码的过程是：

设高维度量子空间的维度为d，d为大于等于N的任意整数；

构造量子空间中的两个幺正算子即可扩展的泡利门，其中位移操作算子定为:

相位操作算子定义为其中参数ω＝e^2πi/d；

量子傅立叶变换算子定义为

每名投票者对上一投票者的结果做编码操作当单光子态落在计算基态时即B＝|k＞0,0≤k≤d-1|，相位操作算子Z对单光子角动量大小无任何影响即X|k＞＝|k+1＞,Z|k＞＝ω^k|k＞，而当单光子态落在计算基对应的傅立叶变换基态上时即相移操作算子X对光子的角动量大小无任何影响即Z|ξ_k＞＝ξ_k-1＞，X|ξ_k＞＝ω^-k|ξ_k＞。

投票单元按照自己的投票规则进行投票的过程是：

其中V^(k)表示每个投票者的投票，|ψ＞表示该系统中单光子最终的状态，a_i、b_i表示每名投票者根据投票规则{c_i,m_i}，选择的编码操作且a_i,b_i＝{0,1}。

实施例2

一种基于光子角动量编码实现匿名投票系统，包括：

分发中心，用于制备和分发光子序列；

监管模块，用于制定每一投票单元的投票规则，并给计票模块分配测量规则；

若干投票单元，每一个投票单元自己的投票规则来进行投票编码；

计票模块，接受所有投票单元发送的光子，并根据监管模块分配的测量规则在计算基或者对应的量子傅立叶变换基下测量，得到最终的投票结果。

相同或相似的标号对应相同或相似的部件；

附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。