基于扩展的ghz-w态和量子一次一密的确定安全量子通信与身份认证协议的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种量子安全通信中的窃听检测方法，采用扩展GHZ-W态作为检测粒 子，结合身份认证和一次一密，能将窃听检测效率提高到81 %。
【背景技术】
[0002] 目前，量子安全通信领域始终存在的安全问题如窃听、拒绝服务攻击、中间人攻击 等攻击行为，这些攻击行为会造成机密信息被窃听或不能准确地传给接收方，尤其是通过 "纠缠"等方法对机密信息的窃听，会对通信过程造成很大破坏。在量子安全通信领域，已 有通信协议的窃听检测效率并不是很高，如2003年邓富国等人在量子直接通信与量子超 密编码基础上提出了一种基于EPR对的两步量子直接通信协议[1]，该检测效率只能达到 50%，远远不能满足安全通信的要求。
[0003] 超密编码涉及习惯上称为发送者和接收者的双方，彼此相距很远，他们的任务是 发送者要给接收者传送一些经典信息。设发送者有两个经典比特的信息要发送给接收者， 但只被允许发送一个单量子比特给接收者，设发送者和接收者开始共享一对处于纠缠态的 量子比特，最初发送者拥有第一量子比特，而接收者拥有第二量子比特。通过把所有的单量 子比特发送给接收者，发送者事实上可以传两个经典比特信息给接收者。
[0005] 如果希望把比特串"00"发送给接收者，发送者不需要对量子比特做操作；如果希 望发送"01"，则在比特上应用相位翻转Z ;如果希望发送" 10"，则应用量子非门X到量子比 特上；如果希望发送"11"，则应用iY到量子比特上。结果为以下四个状态：
[0010] 这四个状态称为Bell基、Bell态或EPR对。如果发送者把她的量子比特发送给 接收者，使接收者拥有全部两个量子比特，则通过在Bell基中的一次测量，接收者就可以 确定发送者要发送给他的是四个可能比特串中的哪一个。
[0011] 在安全性证明过程中，采用信息熵的理论来证明。Von Neumann用下式定义量子状 态的熵：
[0012] S(p ) = -tr(p Iogp ) (3)
[0013] 此式中对数以2为底。若λ p的特征值，则 Von Neumann的定义可以重写为
[0014] S (P ) = - Σ λ xlog λ x (4)
[0015] 因此，在进行安全性分析时，窃听者能窃听到的最大信息量可以利用上述信息熵 理论来得到，然后通过一些数学计算，求出窃听者被检测到的效率与窃听到的最大信息量 之间的关系，以此来证明协议的安全性。
【发明内容】
[0016] 为了保证量子安全通信过程中更好的安全性和传输效率，加快量子安全通信的物 理实现的步伐，本发明结合量子安全通信的理论研究和该领域的最新研究进展，充分运用 扩展GHZ-W态的纠缠特性，提出了 一种基于扩展GHZ-W态的量子安全通信窃听检测方法。该 方法检测粒子的插入位置由合法通信者的身份字符串ID控制，秘密消息采用分块传输方 式，并且分析检测安全性时选取的测量基也由ID确定，能将窃听检测效率提高到81 %。该 方法既有重要的理论研究意义，也有实际应用价值。
[0017] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：接收方Bob在已制备的传输粒子中 插入GHZ-W态，插入位置是根据Alice和Bob共享的身份字符串ID来编码，然后通过量子 信道发送给发送方Alice。发送方Alice根据ID从传输粒子中提取出这些检测粒子，并对 其进行GHZ-W态测量。GHZ-W态是一种纠缠态，其组成粒子之间在不解纠缠的前提下，不管 粒子的物理位置分布如何，只要其中之一发生改变，则其余粒子也都会做相应的变化。要是 窃听者对该纠缠态的任意粒子进行某种酉操作或测量，使处于纠缠态的粒子组解纠缠，合 法用户在后续的GHZ-W态测量中就会发现窃听者的存在，该发明基于GHZ-W态的这种纠缠 特性来进行安全性检测的。因此在有窃听者存在的情况下，发送方Alice的测量结果不全 为GHZ-W态，要中断通信。在没有窃听者存在的情况下，测量结果都应该是GHZ-W态，通信 继续。Alice根据ID的长度，对秘密消息进行分块并进行加密。接收方Bob对自己序列中 的光子进行与Alice同样的测量，并进行解密。Bob储存秘密消息，Alice和Bob继续进行 下一数据块的传输，直至所有秘密消息传输完成。
[0018] 本发明的有益效果是，扩展GHZ-W态和秘密ID的引入，使量子安全通信过程中的 窃听检测效率提高到了 81%。
【附图说明】
[0019] 为了更清楚地说明本发明所提出的量子安全通信过程中基于扩展GHZ-W态和量 子一次一密的窃听检测方法的技术方案以及该方法的安全性证明过程，下面将对方法中所 需要使用的附图做简单地介绍。对于本领域的研究人员来讲，通过这些附图在不付出创造 性研究的前提下，能够根据方案具体步骤及证明流程获得到其他的附图。
[0020] 图1是本发明与已有方案的安全性检测效率对比图；
[0021] 图2是采用本发明后窃听者成功窃取信息的概率图；
[0022] 图3是采用本发明后窃听者成功窃取信息的概率图；
[0023] 图4是本发明方案的通信过程流程图。
【具体实施方式】
[0024] 1.接收者与发送者的通信协议过程如下：
[0025] 文中所提及的Bell态为
[0029] 接收方Bob和发送方Alice为合法通信双方，Eve为窃听者。整个方案的通信过 程如下：
[0030] 第1步：接收方Bob制备N个用来传输消息的Bell态，从每个Bell态中提取第一 个粒子按序组成传输序列Sa，每个Bell态中剩余的粒子按序组成保留序列Sb。并生成N/4 个GHZ-W态的检测粒子51用来检测窃听。
[0031 ] 第2步：接收方Bob将51序列根据ID插入到S A序列中，这样就得到一个新的序列 Sa，。接收方Bob保留Sb序列，并将Sa，序列发送给发送方Al ice。
[0032] 第3步：Alice用特殊滤波器滤除了不同波长的隐形光子，然后Alice利用光子数 分器（PNS)或分束器检查接收到的光子。
[0033] 第4步：发送方Alice WSa，序列中提取出检测粒子，并对其进行GHZ-W态测量。 通过对检测粒子的测量，如果测量结果不全都处于GHZ-W态，说明此次通信过程中有窃听 者的存在，发送方Alice中断本次通信；如果测量结果全处于GHZ-W态，说明此次通信过程 是安全的，通信继续。
[0034] 第5步：发送方A