基于epr对和单光子的确定性安全量子通信方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明提供一种基于EPR对和单光子的确定性安全量子通信方法及装置。本发明通过在所制备的EPR对的第一个粒子上进行简单的局域幺正操作就能对所传送的秘密消息进行编码；消息的接收端只要在辅助的经典信息在这两个合法用户间交互完成之后，再执行贝尔基测量就能解码出所传输的秘密消息。本发明不仅具有较高的编码容量和较高的传输效率，而且操作简单，易于实现。
【专利说明】基于EPR对和单光子的确定性安全量子通信方法及装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及量子通信技术，尤其涉及一种基于EPR对和单光子的确定性安全量子通信方法及装置。
【背景技术】
[0002]量子通信(Quantum Communication,QC)作为一种理论上无条件安全的通信模式，最近以来引起了广泛的关注。量子通信是信息学与量子力学相结合的产物，它是以量子态为信息载体，利用量子力学的一些原理和特征进行传输和保护信息。量子通信系统的安全性主要依赖于量子力学中的“海森堡测不准关系”(或称为测不准原理)和“单量子不可复制定理”(也可称为未知量子态不可克隆定理)以及纠缠粒子的相干性和非局域性等量子特性，而不再是传统密码通信系统中的计算复杂度和计算性困难等问题。鉴于此，许多非常有趣的应用在量子安全通信领域中得到了深入的研究和发展，量子密钥分发(Quantum KeyDistribution, QKD)就是其中最显著的应用之一。采用量子密钥分发方案，可以在两个远程授权的用户之间通过量子信道建立随机的共享秘钥，并且此共享秘钥可用于接下来用户间消息的加密和传送。自从Bennett and Brassard在1984年提出第一个量子密钥分发协议(简称BB84协议)以来，越来越多的科研工作者开始聚焦于这个热点领域，并且相继提出了诸多量子密钥分发方案。
[0003]近年来，量子直接通信这个新颖的概念被大家提出并得到广泛的研究。量子直接通信主要包括两个研究方向，即量子安全直接通信(Quantum Secure DirectCommunication, QSDC)和确定性安全量子通信(Deterministic Secure QuantumCommunication，DSQC)。与量子密钥分发不同的是，QSDC用于直接传输秘密信息，不再需要借助密钥。在秘密信息传输过程中，秘密信息本身不能被抛弃，这不同于量子密钥分发过程中如果发现存在窃听就抛弃已经传输的量子测量结果的方式。因此，QSDC对安全性的要求更高。
[0004]DSQC作为量子直接通信的另外一个重要分支，由于其在实现上需要有一轮辅助的经典信息的交互而与QSDC的实现有所区别。也就是说，在DSQC协议中对于每个量子比特只有在至少一比特的经典信息交互完成之后，此量子比特所承载的相应的秘密消息才能被合法的用户识别出来。DSQC协议中具有一个非常显著的特征，即消息的接收者能即时获得确定的消息内容，而不是像QKD —样只能获得一个随机的二进制的比特串。此外，在一个实际的信道中，DSQC相对QSDC而言存在一些优势，最重要的优点是用于携带秘密信息的量子比特在进行安全检测后无需再次经信道传输。因此，DSQC方案的设计和实现被广大科研工作者所追随，被得到了快速发展。但是，现有的DSQC方案通常编码容量较低，效率不高，操作复杂度高。
【发明内容】
[0005]有鉴于此，本发明的主要目的在于提供了一种基于EPR对和单光子的确定性安全量子通信方法及装置，通过采用EPR纠缠光子对和极化单光子形成三粒子纠缠态，能够使两粒子承载两比特的秘密信息，剩余粒子承载一比特经典交互信息，并在X-基和贝尔基的测量下实现两比特秘密消息的传送，该方法及装置大大提高了编码容量和传输效率，且操作简单，易于实现。
[0006]为了达到上述目的，本发明提供了一种基于EPR对和单光子的确定性安全量子通信方法，包括:
[0007]步骤1:制备η个有序的EPR对，并按序从每个EPR对中选取出第一个粒子形成一个粒子序列Sh，并按序从每个EPR对中取出剩余的粒子形成序列St ;其中，所述η个EPR对均为同一贝尔基态；
[0008]步骤2:按照消息仏的内容，在序列Sh中相应的粒子上执行对应的局域幺正操作，使得所述η个EPR对转化成相应的贝尔基态，并根据步骤I中序列Sh和序列St的选取规则，从转换后的η个EPR对中选取序列S1/和S/，其中，Ν=2η ；
[0009]步骤3:制备η个处于水平极化态的单光子，并按序形成序列Sb，然后以序列Sh,中的粒子作为控制量子比特位，序列Sb中相应顺序的粒子作为目标量子比特位，执行控制非门CNOT的操作，使序列Sb转换成序列Sb / ；
[0010]步骤4:向序列Sb'中随机插入I1个诱骗态光子，得到序列S/，并将S/经由第一量子信道发送给接收端；并根据接收端对所述I1个诱骗态光子的测量结果判断所述第一量子信道上是否存在窃听；若不存在窃听，则进入步骤5，否则返回步骤I ;其中，li〈〈N ；
[0011]步骤5:向序列S/中随机插入I2个诱骗态光子，得到序列ST%并将序列S/经由第二量子信道发送给接收端；并根据接收端对所述I2个诱骗态光子的测量结果判断所述第二量子信道上是否存在窃.听；若不存在窃听，则进入步骤6，否则返回步骤I ;其中，12?N ；
[0012]步骤6:对序列Sh'执行X-基测量，并根据测量结果将相应的辅助信息经授权的经典信道发送给接收端。
[0013]优选地，接收端根据接收到的序列S/和S:，对序列S/以及序列进行恢复并进行贝尔基联合测量，并基于接收到的辅助信息，从贝尔基联合测量结果中得到消息mn。
[0014]优选地，所述同一贝尔基态是四种贝尔基态中的任意一种。
[0015]优选地，所述步骤2还包括:将序列S/存储在第一量子态存储器QSl中；将序列S1/寄存在第二量子态存储器QS2中。
[0016]优选地，所述根据接收端对所述I1个诱骗态光子的测量结果判断所述第一量子信道上是否存在窃听，包括:当接收端接收到序列S/后，发送端将所述I1个诱骗态光子在序列S/中的位置信息和应使用的相应的测量基信息发送给接收端，根据接收端返回的对诱骗态光子的测量结果，判断所述第一量子信道上是否存在窃听:如果测量结果的错误率超过了预定的门限值τ，则存在窃听；如果没有超过，则不存在窃听，第一量子信道是安全的。
[0017]优选地，所述根据接收端对对所述I2个诱骗态光子的测量结果判断所述第二量子信道上是否存在窃听，包括:当接收端接收到序列S/后，发送端将所述I2个诱骗态光子在序列S/中的位置信息和应使用的相应的测量基信息发送给接收端，根据接收端返回的对诱骗态光子的测量结果，判断所述第二量子信道上是否存在窃听:如果测量结果的错误率超过了预定的门限值τ，则存在窃听；如果没有超过，则不存在窃听，第二量子信道是安全的。
[0018]优选地，接收端在对所述I1个诱骗态光子执行单光子测量的同时恢复出序列Sb'；接收端在对所述I2个诱骗态光子执行单光子测量的同时恢复出序列S/。
[0019]本发明还提供了一种基于EPR对和单光子的确定性安全量子通信装置，包括:纠缠光子源、单光子源、编码模块、CNOT操作模块、第一量子态存储器、第二量子态存储器、第一诱骗态光子插入模块、第二诱骗态光子插入模块、X-基测量模块、第一窃听检测模块、第二窃听检测模块、第一开关、第二开关、贝尔基联合测量模块以及消息恢复模块，其中，
[0020]所述纠缠光子源，用于生成具有同一贝尔基态的η个有序的EPR对，并按序从每个EPR对中选取出第一个粒子形成一个粒子序列Sh，并按序从每个EPR对中取出剩余的粒子形成序列St ；
[0021]所述单光子源，用于生成n个水平极化态的单光子，形成序列Sb ；
[0022]所述编码模块，用于按照消息Mn的内容，在序列Sh中相应的粒子上执行对应的局域幺正操作，使得所述η个EPR对转化成相应的贝尔基态，并根据步骤I中序列Sh和序列St的选取规则，从转换后的η个EPR对中选取序列Sh'和S/ ；
[0023]所述CNOT操作模块:用于以序列Sh,中的粒子作为控制量子比特位，以序列Sb中相应顺序的粒子作为目标量子比特位，执行控制非门CNOT的操作，使序列Sb转换成序列
V；
[0024]所述第一量子态存储器，用于寄存序列S/ ；
[0025]所述第二量子态存储器，用于寄存序列Sh'；
[0026]所述第一诱骗态光子插入模块，用于向序列Sb'中随机插入I1个诱骗态光子，得到序列S/，并将S/经由第一量子信道发送给第一窃听检测模块；当第一窃听检测模块接收到序列S/后，将所述I1个诱骗态光子在序列S/中的位置信息和应使用的相应的测量基信息发送给第一窃听检测模块；其中，1ι?Ν ；
[0027]所述第二诱骗态光子插入模块，用于向序列S/中随机插入I2个诱骗态光子，得到序列S/，并将S/经由第二量子信道发送给第二窃听检测模块；当第二窃听检测模块接收到序列S/后，将所述I2个诱骗态光子在序列S/中的位置信息和应使用的相应的测量基信息发送给第二窃听检测模块；其中，ι2?ν ；
[0028]所述X-基测量模块，用于对寄存于第二量子态寄存器中的序列Sh'执行X-基测量，并根据测量结果将相应的辅助信息经授权的经典信道发送给消息恢复模块；
[0029]所述第一窃听检测模块，用于基于所述I1个诱骗态光子在序列S/中的位置信息和应使用的相应的测量基信息，对诱骗态光子执行相应的单光子测量，判断第一量子信道上是否存在窃听，并恢复出序列Sb'；
[0030]所述第二窃听检测模块，用于基于所述I2个诱骗态光子在序列S/中的位置信息和应使用的相应的测量基信息，对诱骗态光子执行相应的单光子测量，判断第二量子信道上是否存在窃听，并恢复出序列S/ ；
[0031]所述第一开关，处于第一窃听检测模块和贝尔基联合测量模块之间，用于根据所述第一窃听检测模块的判断结果进行开关；
[0032]所述第二开关，处于第二窃听检测模块和贝尔基联合测量模块之间，用于根据所述第二窃听检测模块的判断结果进行开关；[0033]所述贝尔基联合测量模块，用于对第一窃听检测模块恢复的序列Sb'和第二窃听检测模块恢复的序列S/进行贝尔基联合测量；
[0034]所述消息恢复模块，用于基于接收到的辅助信息和贝尔基测量结果，得到消息Mn。
[0035]优选地，所述装置包括接收模块和发送模块，其中，发送模块包括:纠缠光子源、单光子源、编码模块、CNOT操作模块、第一量子态存储器、第二量子态存储器、第一诱骗态光子插入模块、第二诱骗态光子插入模块、X-基测量模块；接收模块包括:第一窃听检测模块、第二窃听检测模块、第一开关、第二开关、贝尔基联合测量模块以及消息恢复模块。
[0036]优选地，所述纠缠光子源生成的EPR对均为同一贝尔基态，是四种贝尔基态中的任意一种。
[0037]由上述技术方案可知，本发明通过在所制备的EPR对的第一个粒子上进行简单的局域么正操作就能对所传送的消息进行编码；消息的接收端只要在辅助的经典信息在这两个合法用户间交互完成之后，再执行`贝尔基测量就能解码出所传输的秘密消息。本发明的技术方案不仅具有较高的编码容量，而且具有较高的传输效率。此外，本发明的技术方案采用了数据块两步传输和诱骗态粒子安全检测技术，保证了整个通信过程的安全性。本发明的方案仅采用了 EPR对和单光子，这些量子资源在现有的技术条件下制备起来相对简单且相关操作易于实现。
【专利附图】
【附图说明】
[0038]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0039]图1为本发明一实施例提供的基于EPR对和单光子的确定性安全量子通信方法的流程示意图；
[0040]图2为本发明一实施例采用的CNOT操作的示意图；
[0041]图3为本发明一实施例提供的基于EPR对和单光子的确定性安全量子通信装置的结构示意图。
【具体实施方式】
[0042]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例`，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0043]首先，简要介绍相关【背景技术】:假定两个合法的用户分别是:发送者Alice和接收者Bob,以及他们之间要通信的消息为Mn = Im1, m2,..., Hii,..., m2n}，在此Hii e {O, 1}且N=2n，I≤i≤N。本方案通过对每一个制备的EPR对的第一个粒子进行局域幺正操作来实现消息的编码，编码函数的详细实现过程如下所述。
[0044]每个EPR对，即为四种贝尔基态(Bell states)中的一种，可以表示为:
【权利要求】
1.一种基于EPR对和单光子的确定性安全量子通信方法，其特征在于，所述方法包括: 步骤1:制备η个有序的EPR对，并按序从每个EPR对中选取出第一个粒子形成一个粒子序列Sh，并按序从每个EPR对中取出剩余的粒子形成序列St ;其中，所述η个EPR对均为同一贝尔基态； 步骤2:按照消息仏的内容，在序列Sh中相应的粒子上执行对应的局域幺正操作，使得所述η个EPR对转化成相应的贝尔基态，并根据步骤I中序列Sh和序列St的选取规则，从转换后的η个EPR对中选取序列Sh'和S/ ;其中，Ν=2η。 步骤3:制备η个处于水平极化态的单光子，并按序形成序列Sb，然后以序列Sh,中的粒子作为控制量子比特位，序列Sb中相应顺序的粒子作为目标量子比特位，执行控制非门CNOT的操作，使序列Sb转换成序列Sb / ； 步骤4:向序列Sb'中随机插入I1个诱骗态光子，得到序列SB%并将S/经由第一量子信道发送给接收端；并根据接收端对所述I1个诱骗态光子的测量结果判断所述第一量子信道上是否存在窃听；若不存在窃听，则进入步骤5，否则返回步骤I ;其中，1,〈Ν ； 步骤5:向序列S/中随机插入I2个诱骗态光子，得到序列S/，并将序列St*经由第二量子信道发送给接收端 ；并根据接收端对所述I2个诱骗态光子的测量结果判断所述第二量子信道上是否存在窃听；若不存在窃听，则进入步骤6，否则返回步骤I ;其中，12?N ； 步骤6:对序列Sh'执行X-基测量，并根据测量结果将相应的辅助信息经授权的经典信道发送给接收端。
2.根据权利要求1所述的确定性安全量子通信方法，其特征在于，接收端根据接收到的序列S/和ST%对序列S/以及序列Sb'进行恢复并进行贝尔基联合测量，并基于接收到的辅助信息，从贝尔基联合测量结果中得到消息Mn。
3.根据权利要求1所述的确定性安全量子通信方法，其特征在于，所述同一贝尔基态是四种贝尔基态中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的确定性安全量子通信方法，其特征在于，所述步骤2还包括:将序列S/存储在第一量子态存储器QSl中；将序列Sh'寄存在第二量子态存储器QS2中。
5.根据权利要求1所述的确定性安全量子通信方法，其特征在于，所述根据接收端对所述I1个诱骗态光子的测量结果判断所述第一量子信道上是否存在窃听，包括:当接收端接收到序列S/后，发送端将所述I1个诱骗态光子在序列S/中的位置信息和应使用的相应的测量基信息发送给接收端，根据接收端返回的对诱骗态光子的测量结果，判断所述第一量子信道上是否存在窃听:如果测量结果的错误率超过了预定的门限值τ，则存在窃听；如果没有超过，则不存在窃听，第一量子信道是安全的。
6.根据权利要求1所述的确定性安全量子通信方法，其特征在于，所述根据接收端对对所述I2个诱骗态光子的测量结果判断所述第二量子信道上是否存在窃听，包括:当接收端接收到序列S/后，发送端将所述I2个诱骗态光子在序列S/中的位置信息和应使用的相应的测量基信息发送给接收端，根据接收端返回的对诱骗态光子的测量结果，判断所述第二量子信道上是否存在窃听:如果测量结果的错误率超过了预定的门限值τ，则存在窃听；如果没有超过，则不存在窃听，第二量子信道是安全的。
7.根据权利要求1所述的确定性安全量子通信方法，其特征在于，接收端在对所述I1个诱骗态光子执行单光子测量的同时恢复出序列Sb';接收端在对所述I2个诱骗态光子执行单光子测量的同时恢复出序列S/。
8.一种基于EPR对和单光子的确定性安全量子通信装置，其特征在于，所述装置包括:纠缠光子源、单光子源、编码模块、CNOT操作模块、第一量子态存储器、第二量子态存储器、第一诱骗态光子插入模块、第二诱骗态光子插入模块、X-基测量模块、第一窃听检测模块、第二窃听检测模块、第一开关、第二开关、贝尔基联合测量模块以及消息恢复模块，其中， 所述纠缠光子源，用于生成具有同一贝尔基态的η个有序的EPR对，并按序从每个EPR对中选取出第一个粒子形成一个粒子序列SH，并按序从每个EPR对中取出剩余的粒子形成序列St ； 所述单光子源，用于生成η个水平极化态的单光子，形成序列Sb ； 所述编码模块，用于按照消息Mn的内容，在序列Sh中相应的粒子上执行对应的局域幺正操作，使得所述η个EPR对转化成相应的贝尔基态，并根据步骤I中序列Sh和序列St的选取规则，从转换后的η个EPR对中选取序列Sh'和S/ ； 所述CNOT操作模块:用于以序列Sh,中的粒子作为控制量子比特位，以序列Sb中相应顺序的粒子作为目标量子比特位，执行控制非门CNOT的操作，使序列Sb转换成序列Sb'；所述第一量子态存储器，用于寄存序列S/ ； 所述第二量子态存储器，用于寄存序列Sh'； 所述第一诱骗态光子插入模块，用于向序列Sb'中随机插入I1个诱骗态光子，得到序列S/，并将S/经由第一量子信道发送给第一窃听检测模块；当第一窃听检测模块接收到序列S/后，将所述I1个诱骗态光子在序列S/中的位置信息和应使用的相应的测量基信息发送给第一窃听检测模块；其中，l!?N ； 所述第二诱骗态光子插入模块，用于向序列S/中随机插入I2个诱骗态光子，得到序列S/，并将S/经由第二量子信道发送给第二窃听检测模块；当第二窃听检测模块接收到序列S/后，将所述I2个诱骗态光子在序列S/中的位置信息和应使用的相应的测量基信息发送给第二窃听检测模块；其中，12?Ν ； 所述X-基测量模块，用于对寄存于第二量子态寄存器中的序列Sh'执行X-基测量，并根据测量结果将相应的辅助信息经授权的经典信道发送给消息恢复模块； 所述第一窃听检测模块，用于基于所述I1个诱骗态光子在序列S/中的位置信息和应使用的相应的测量基信息，对诱骗态光子执行相应的单光子测量，判断第一量子信道上是否存在窃听，并恢复出序列Sb'； 所述第二窃听检测模块，用于基于所述I2个诱骗态光子在序列S/中的位置信息和应使用的相应的测量基信息，对诱骗态光子执行相应的单光子测量，判断第二量子信道上是否存在窃听，并恢复出序列S/ ； 所述第一开关，处于第一窃听检测模块和贝尔基联合测量模块之间，用于根据所述第一窃听检测模块的判断结果进行开关； 所述第二开关，处于第二窃听检测模块和贝尔基联合测量模块之间，用于根据所述第二窃听检测模块的判断结果进行开关； 所述贝尔基联合测量模块，用于对第一窃听检测模块恢复的序列Sb'和第二窃听检测模块恢复的序列S/进行贝尔基联合测量； 所述消息恢复模块，用于基于接收到的辅助信息和贝尔基测量结果，得到消息Μν。
9.根据权利要求8所述的确定性安全量子通信装置，其特征在于，所述装置包括接收模块和发送模块，其中，发送模块包括:纠缠光子源、单光子源、编码模块、CNOT操作模块、第一量子态存储器、第二量子态存储器、第一诱骗态光子插入模块、第二诱骗态光子插入模块、X-基测量模块；接收模块包括:第一窃听检测模块、第二窃听检测模块、第一开关、第二开关、贝尔基联合测量模块以及消息恢复模块。
10.根据权利要求8所述的确定性安全量子通信装置，其特征在于，所述纠缠光子源生成的EPR对均为同一 贝尔基态，是四种贝尔基态中的任意一种。
【文档编号】H04L9/08GK103441819SQ201310380404
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年8月28日 优先权日:2013年8月28日
【发明者】刘建伟, 王朝, 尚涛, 吕盟, 苏兆安 申请人:北京航空航天大学