基于逻辑量子比特和控制非操作的抗集体退相位噪声鲁棒量子对话协议的制作方法
【专利摘要】本发明提出一个基于逻辑量子比特和控制非操作的抗集体退相位噪声鲁棒量子对话协议。制备方产生逻辑量子比特作为传输态以抵抗集体退相位噪声。另一方借助于控制非操作知道逻辑量子比特的初始制备态，并在制备方发送过来的一个经典信息序列的帮助下解码出制备方的秘密信息。制备方借助于量子安全直接通信读出另一方的秘密信息。这样，信息泄露风险被有效地避免。在本发明协议中，只有单光子测量被需要用于量子测量。与之前的抗噪声量子对话协议相比，本发明协议具有最高的信息论效率。与最近的需要将两个相邻的逻辑量子比特制备处于相同的量子态的量子对话协议相比，本发明协议在实验上更加容易执行，因为它没有这种特殊的要求。
【专利说明】基于逻辑量子比特和控制非操作的抗集体退相位噪声鲁棒 量子对话协议
【技术领域】
[0001] 本发明涉及量子安全通信领域。本发明设计一种基于逻辑量子比特和控制非操作 的抗集体退相位噪声鲁棒量子对话协议，同时解决量子对话的信息泄露问题和噪声干扰问 题。
【背景技术】
[0002] 在2002年，Long和Liu[1]提出第一个量子安全直接通信（Quantum Secure Direct Communication，QSDC)协议，意味着利用量子信号将秘密信息从一方直接传送到另 一方的梦想变为现实。然后，许多好的QSDC协议从不同角度被构造出来[2-11]。自然地，一 个人希望通过量子信道与另一个人进行对话。在2004年，Nguyen [12]和Zhang等[13-14] 使这个梦想变成现实，当他们独立提出称为量子对话（Quantum Dialogue，QD)的新概念。 也就是说，QD能够让双方自由地交换信息。然后，一些QD协议被设计出来[15-24]。然而， 在2008年，Gao等[25-26]指出QD总是存在称为信息泄露的风险。这意味着任何其他人能 直接推断出部分秘密信息而无需进行任何窃听。同年，Tan和Cai [27]发现QD存在称为经 典相关的现象。事实上，信息泄露和经典相关属于同一回事。自从那时起，许多好的无信息 泄露QD协议根据不同的执行途径被提出来[28-37]。然而，它们只能假设量子信道是理想 的。事实上，由于光纤双折射的波动，光子易受量子信道噪声的干扰。量子信道噪声可被视 为集体噪声，只要光子在一个比噪声源变化还快的时间窗里传输[38-39]。众所周知的是， 无消相干（Decoherence-Free，DF)态[38-50]是一种有效的消除集体噪声干扰的手段，因 为它们总是对于集体噪声具有不变性。特别地，DF态已经被用来设计抗噪声QD协议[47， 49-50]。在文献[47]，对集体噪声免疫的两个原始Bell态的乘积态（两量子比特DF态的 乘积态）被作为传输量子态。在文献[49]，逻辑量子比特（两量子比特DF态）被用作传输 量子态以抵抗集体噪声。在文献[50]，逻辑Bell态（四量子比特DF态）被用作传输量子 态以克服集体噪声。
[0003] 本发明提出一个基于逻辑量子比特和控制非（Controlled-Not，CN0T)操作的抗 集体退相位噪声鲁棒QD协议。制备方产生逻辑量子比特作为传输态以抵抗集体退相位噪 声。另一方借助于CN0T操作知道逻辑量子比特的初始制备态，并在制备方发送过来的一个 经典信息序列的帮助下解码出制备方的秘密信息。制备方借助于量子安全直接通信读出另 一方的秘密信息。这样，信息泄露风险被有效地避免。在本发明协议中，只有单光子测量被 需要用于量子测量。与之前的抗噪声QD协议[47, 49-50]相比，本发明协议具有最高的信 息论效率。与最近的文献[49]的需要将两个相邻的逻辑量子比特制备处于相同的量子态 的QD协议相比，本发明协议在实验上更加容易执行，因为它没有这种特殊的要求。
[0004] 参考文献
[0005] [1]Long G L，Liu X S，Phys Rev A，2002,65 :032302
[0006] [2]Bostrom K，Felbinger T，Phys Rev Lett，2002,89 :187902
【权利要求】
1. 一种基于逻辑量子比特和控制非操作的抗集体退相位噪声鲁棒量子对话协议，制备 方产生逻辑量子比特作为传输态以抵抗集体噪声；另一方借助于控制非操作知道逻辑量子 比特的初始制备态，并在制备方发送过来的一个经典信息序列的帮助下解码出制备方的秘 密信息；制备方借助于量子安全直接通信读出另一方的秘密信息；能有效避免信息泄露风 险；只需要单光子测量用于量子测量；不需要将两个相邻的逻辑量子比特制备处于相同的 量子态，在实验上容易执行；共包括以下五个过程： 51) 制备和第一次传输:Alice制备N个随机处于两个态{IOdp>，Ildp>}之一的信息逻 辑量子比特{IL，，|L2>，…，ILiX…，|LN>}(i= 1，2，·"，Ν);为了第一次安全检测，她采 用诱骗光子技术；也就是，她制备SfS2个随机处于四个态{|〇dp>，|ldp>，|+dp>，|-dp>}之 一的诱骗逻辑量子比特并将它们与N个信息逻辑量子比特随机地混合；然后，她将这个量 子态序列发送给Bob; 52) 第一次安全检测：在Bob告知Alice他已收到后，他们一起完成第一次安全检测； Alice告诉Bobδi个诱骗逻辑量子比特的位置和制备基；Bob利用Alice的制备基测量δi 个诱骗逻辑量子比特并告诉Alice他的测量结果；Alice通过比较S1个诱骗逻辑量子比特 的初态和Bob的测量结果判断Eve是否存在；如果存在Eve，他们放弃通信，否则，通信被继 续； 53)Bob的编码和第二次传输：Bob丢弃δif诱骗逻辑量子比特；这样，他手中的序列 就由N个信息逻辑量子比特和δ2个诱骗逻辑量子比特组成；然后Bob向Alice询问δ2个 诱骗逻辑量子比特的位置；Bob在Alice的指导下从他手中的序列挑选出δ2个诱骗逻辑量 子比特；然后，Bob制备N个单光子（IB1XlB2)，…，|Β，，·"，|ΒΝ>}α= 1，2，·"，Ν)都处 于|0> ;接着，Bob以|L，的第一个物理量子比特作为控制量子比特和|Β，作为目标量子比 特对ILA和IBA施加控制非操作；显然，如果ILA是I0dp>，IBA在控制非操作后将被保持 不变，如果|L，是|ldp>，|Β，在控制非操作后将被转变为|1> ;然后，Bob按顺序保存每个 I用于之后的解码；另外，Bob通过对IL，施加逻辑酉操作^/^对其编码他的一比特Ii; 这样，IL，被转变为|及>;Bob通过相应的逻辑酉操作也对δ2个诱骗逻辑量子比特编 码他的检测信息；然后，Bob将δ2个编码后的诱骗逻辑量子比特随机插入N个编码后的信 息逻辑量子比特并将新序列传送回Alice; 54) 第二次安全检测：在Alice告知Bob她已收到后，他们一起完成第二次安全检测； Bob告诉Aliceδ2个编码后的诱骗逻辑量子比特的位置；Alice利用相应的制备基测量δ2 个编码后的诱骗逻辑量子比特以解码出它们携带的检测信息并向Bob宣布她的测量结果； Bob通过比较他的检测信息和Alice公布的测量结果判断是否存在Eve;如果存在Eve，他 们放弃通信，否则，通信被继续； 55) 双向通信的实现:Alice丢弃δ2个编码后的诱骗逻辑量子比特；然后，根据她的秘 密信息和N个制备的信息逻辑量子比特，Alice发送给Bob-个由N个比特组成的经典信 息序列；具体地讲，如果第i个信息逻辑量子比特IL，处于I0dp>，经典信息序列的第i比特 将与Alice的第i比特秘密信息h-样，如果第i个信息逻辑量子比特|L，处于Ildp>，经 典信息序列的第i比特将是Alice的第i比特秘密信息h的取非值；为了解码Alice的第 i比特秘密信息h，Bob用Z基测量第i个单光子I并计算I的测量结果和经典信息 序列的第i比特的模2加值；这里，|Β，的测量结果以如下方式代表一个经典比特：|0>对 应经典比特0, 11>对应经典比特1 ;另一方面，Alice通过利用Z?Z-基测量|及>能 直接读出Bob的一比特Ii。
【文档编号】H04L29/06GK104468529SQ201410658397
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月18日 优先权日:2014年11月18日
【发明者】叶天语 申请人:浙江工商大学