一种基于被动信号态源的量子安全直接通信方法及系统

本发明涉及通信，尤其设计一种基于被动信号态源的量子安全直接通信方法及系统。

背景技术：

1、量子安全直接通信(qsdc)是量子保密通信的一个重要分支。它可在量子信道中直接传递秘密信息，无需事先产生密钥。2000年，龙桂鲁等人提出了第一个量子安全直接通信方案——高效qsdc方案。2003年，邓富国等人利用密集编码的思想提出了基于epr纠缠对的两步qsdc方案；2004年该研究小组又提出了基于单光子的一次一密qsdc方案；基于单光子的一次一密qsdc方案和基于纠缠的两步qsdc方案分别于2016年2017年得到了实验验证。2021年，陈险峰等人又实验演示了qsdc网络协议。2022年，龙桂鲁等人实现了百公里量级的量子安全直接通信。在现有的qsdc协议中，基于纠缠的两步qsdc协议更易于推广，已经发展成为量子直接对话协议。而基于单光子的qsdc协议比基于纠缠的qsdc协议更易于实现。

2、qsdc的安全性在理想情况下已经得到证明，然而，在实际量子通信系统中的设备会存在一些缺陷，特别是目前没有完美的单光子源，弱相干光源等实际条件下的光源会产生真空态及多光子事件。而多光子事件会被窃听者使用光子数劈裂攻击窃取信息，目前常用的抵抗这种攻击的方法是诱骗态方法。利用弱相干光源的传统诱骗态方法需要主动调制每个发射脉冲的平均光子数，实验设置复杂，且引入调制光子数存在侧信道信息泄漏风险。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于被动信号态源的量子安全直接通信方法及系统，能够有效降低真空态的概率、简化试验操作、提高信息容量、延长安全通信距离。

2、为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

3、第一方面，本发明提供了一种量子安全直接通信方法，适用于信号接收方，所述方法包括：

4、利用被动信号态光源产生三种不同强度互为诱骗态的信号态；

5、对三种所述信号态进行随机编码生成第一光子序列，并将所述第一光子序列发送至信号发送方，以使所述信号发送方从所述第一光子序列中随机选取一部分光子作为第一轮安全性检测光子进行单光子测量；

6、根据所述信号发送方公布的所述单光子测量的测量结果，进行第一轮安全检测；

7、响应于第一轮安全检测通过，接收所述信号发送方发送的依据剩余光子编码生成的第二光子序列；

8、根据所述信号发送方公布的第二轮安全性检测光子的位置和编码信息，从所述第二光子序列中提取第二轮安全性检测光子，进行第二轮安全性检测；

9、响应于第二轮安全性检测通过，提取所述第二光子序列中用于表示编码信息的光子，通过解码操作获取信号发送方发送的信息。

10、结合第一方面，进一步的，所述利用被动信号态光源产生三种不同强度互为诱骗态的信号态，包括：

11、通过自发参量下转换光源将输入单光子劈裂为处在信号路径或预示路径的双光子或多光子；

12、采用第一光子探测器和第二光子探测器分别对所述预示路径的光子进行光子探测：

13、若仅第一光子探测器响应，则将相应的所述信号路径的光子归属于第一信号态；

14、若仅第二光子探测器响应，则将相应的所述信号路径的光子归属于第二信号态；

15、若第一光子探测器和第二光子探测器均响应，则将相应的所述信号路径的光子归属于第三信号态；

16、其中，所述第一信号态、第二信号态和第三信号态的光子数分布不同；所述第一光子探测器和所述第二光子探测器探测效率与光子到达探测器的损耗不完全相同。

17、结合第一方面，进一步的，所述对三种不同强度的信号态进行随机编码生成第一光子序列，包括：

18、随机执行下述四种编码操作中的任一种：

19、u0＝|h><h|+|v><v|

20、u1＝|v><h|-|h><v|

21、

22、

23、式中，u0、u1、u2、u3分别表示四种编码操作，u0、u1操作产生的单光子制备基记为z基，单光子描述为：{|h>，|v>}；u2、u3操作产生的光子脉冲制备基记为x基，单光子描述为：h和v分别表示为光子水平方向上的偏振和垂直方向上的偏振，|+>和|->分别为光子水平方向上的偏振的叠加态与垂直方向上的偏振的叠加态。

24、结合第一方面，进一步的，所述根据所述信号发送方公布的所述单光子测量的测量结果，进行第一轮安全检测，包括：

25、获取所述信号发送方公布的所述第一轮安全性检测光子的位置和测量基；

26、根据所述第一轮安全性检测光子的位置确定所述信号接收方制备的对应位置的光子的制备基；

27、若所述测量基与所述制备基相同，且所述信号发送方公布的测量结果与所述信号接收方制备的光子的量子态相同，则表明比对正确；否则，表明比对错误，；

28、根据所有第一轮安全性检测光子的比对结果计算错误率，若所述错误率未超过设定的第一阈值，则第一轮安全性检测通过；否则，不通过。

29、结合第一方面，进一步的，所述从所述第二光子序列中提取第二轮安全性检测光子，进行第二轮安全性检测，包括：

30、根据所述信号发送方公布的第二轮安全性检测光子的位置确定所述信号接收方制备的对应位置的光子的制备基；

31、利用所确定的制备基对所提取的第二轮安全性检测光子进行解码操作，获取解码结果；

32、将所述信号发送方公布的所述第二轮安全性检测光子的编码操作与对应的初始光子结合，计算编码结果；

33、将所述编码结果与所述解码结果比对，两者相同，则比对正确；否则，比对错误；

34、计算所有第二轮安全性检测光子的比对错误率，若所述错误率未超过设定的第二阈值，则第二轮安全性检测通过；否则，不通过。

35、结合第一方面，进一步的，所述利用所确定的制备基对所提取的第二轮安全性检测光子进行解码操作，获取解码结果，包括：

36、若所述制备基为z基，则选择z基对所提取的第二轮安全性检测光子执行解码操作，若所述制备基为x基，则选择x基对所提取的第二轮安全性检测光子执行解码操作；

37、其中，若选择z基，则通过下述表达式执行解码操作：

38、z＝|h><h|+|v><v|

39、若选择x基，则通过下述表达式执行解码操作：

40、

41、式中，h和v分别表示为光子水平方向上的偏振和垂直方向上的偏振，|h>、<h|分别表示h的右矢和左矢；|v>、<v|分别表示v的右矢和左矢。

42、结合第一方面，进一步的，所述提取所述第二光子序列中用于表示编码信息的光子，通过解码操作获取信号发送方发送的信息，包括：

43、利用所述信号接收方的制备基对所提取的用于表示编码信息的光子进行单光子测量，将测量结果与每个用于表示编码信息的光子的初始态进行比对，获取所述信号发送方发送的信息。

44、第二方面，本发明提供了一种量子安全直接通信方法，适用于信号发送方，所述方法包括：

45、接收信号接收方发送的第一光子序列，所述第一光子序列由所述信号接收方对三种不同强度互为诱骗态的信号态进行随机编码生成；

46、随机选取所述第一光子序列中的其中一部分光子作为第一轮安全性检测光子，并随机选择测量基对所述第一轮安全性检测光子进行单光子测量，公布所述第一轮安全性检测光子的位置、测量基和测量结果；

47、提取所述第一光子序列中剩余光子，随机选择剩余光子中的一部分光子作为第二轮安全性检测光子，另外的光子作为信息光子则用于表示所要发送的安全信息，对所述剩余安全性检测光子进行随机编码，对所述信息光子进行信息编码后生成第二光子序列，并公布所述第二轮安全性检测光子的位置和编码信息。

48、结合第二方面，进一步的，对所述剩余安全性检测光子进行随机编码，对所述信息光子进行信息编码后生成第二光子序列，包括：

49、采用下述两种幺正操作对所述第二轮安全性检测光子和信息光子进行随机编码或信息编码：

50、u0＝|h><h|+|v><v|

51、u1＝|v><h|-|h><v|

52、其中，u0，u1分别表示两种编码操作，u0对应编码信息0，u1对应编码信息1；h和v分别表示为光子水平方向上的偏振和垂直方向上的偏振，|h>、<h|分别表示h的右矢和左矢；|v>、<v|分别表示v的右矢和左矢。。

53、第三方面，本发明还提供了一种量子安全直接通信系统，包括：

54、信号发送方：用于执行第一方面任一项所述方法的步骤；

55、信号接收方：用于执行第二方面任一项所述方法的步骤。

56、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

57、采用被动信号态光源替代现有技术中的弱相干光源，能有效降低光源产生真空态的概率，提高信息容量，延长通信距离；同时引入三种不同强度的信号态，三种信号态互为诱骗态，能够有效抵御光子数劈裂攻击、简化试验设置，以及避免通过调制光子数引入的侧信道信息泄漏，从而有效提高量子安全直接通信在实际实验条件下的安全性。