基于超编码的测量设备无关确定性安全量子通信方法

1.本发明涉及一种基于超编码的测量设备无关确定性安全量子通信方法，属于量子通信的领域。


背景技术：

2.量子安全直接通信(qsdc)和确定性安全量子通信(dsqc)是量子保密通信领域的两个重要分支。qsdc允许以确定和安全的方式直接传输秘密消息，而不用提前形成密钥；而dsqc允许信息发送方通过量子信道向信息接收方传输随机密文，双方再通过授权的经典信道传递密钥，信息接收方使用密钥解读出秘密信息。虽然在dsqc需要双方交换了经典密钥，但经典资源比量子资源便宜得多，从而提高信息传输效率和传输的安全性。因此，dsqc一直受到人们的关注。
3.在实际的dsqc中，为了消除窃听者针对探测器端的所有攻击，研究者提出了测量设备无关dsqc(mdi-dsqc)协议。它将所有的测量任务交给了第三方(不可信，甚至完全被eve控制)，因此，测量装置可以作为一个黑匣子使用，通信方alice和bob只需要制备量子态并且保护他们制备的态的信息不泄露即可。mdi-dsqc可以抵御所有针对测量设备的攻击。然而，mdi-dsqc的通信效率较低，严重制约了mdi-dsqc的发展。使用超编码(在光子的多个自由度独立编码)可有效提高光子的信道容量，且每个自由度可以独立地操作，已被广泛采用于量子保密通信领域以提高通信效率。因此，我们可以将超编码思想引入到mdi-dsqc中。然而，使用超编码的保密通信协议通常需要超纠缠贝尔态测量(完全区分超纠缠态)。目前的完全超纠缠贝尔态分析协议都是基于非线性光学原件，在当前实验条件下难以实现。这阻碍了基于超编码的mdi-dsqc协议的实用化。
4.有鉴于此，确有必要提出一种基于超纠缠贝尔态测量的量子安全通信方法，以解决上述问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种基于超编码的测量设备无关确定性安全量子通信方法，以抵御所有针对探测器端的攻击，同时，超编码可增加单光子的信道容量，提高了方案通信概率。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种基于超编码的测量设备无关确定性安全量子通信方法，主要包括：
7.步骤1，用户a和用户b随机选择直角基或对角基对光子的动量和极化自由度进行编码，并分别把编码后的单光子通过量子信道发送给探测方c；
8.步骤2，探测方c对用户a和用户b发送的单光子进行基于时间片段辅助的超纠缠贝尔态测量并公布测量结果；
9.步骤3，用户a和用户b分别公布光子在极化自由度和动量自由度上的制备基，若双方在光子的某自由度的制备基相同，则双方保留该自由度的编码信息和贝尔态测量结果，
反之，若双方在光子的某自由度的制备基不同，则双方舍弃该自由度的编码信息及贝尔态测量结果；
10.步骤4，根据测量方c的测量结果以及用户a和用户b在两个自由度上的制备基，用户b对自己在两个自由度上的编码数据做相应的比特翻转或恒等操作以得到a的编码信息作为原始密文；
11.步骤5，用户a和用户b不断重复步骤1至步骤4，直到达到想要发送的密文数；
12.步骤6，用户a和用户b在两个自由度中均拿出一部分原始密文数据作为安全性检测比特来检测两个自由度的比特错误率，如果任一自由度的比特错误率超过了设定的误码率阈值，说明存在窃听或测量方c的欺骗，则放弃此次通信过程；否则，若两个自由度的错误率均低于设定的阈值，则说明光子传输过程安全，保留剩余部分的原始密文，并在公开信道中进行纠错和放大，完成最后安全密文的发送；
13.步骤7，用户a通过一经过身份认证的经典信道将密钥发送给用户b；
14.步骤8，用户b使用密钥将秘密信息恢复出来。
15.作为本发明的进一步改进，在步骤1中，用户a和用户b随机选择直角基和对角基来编码动量和极化自由度的光子态；其中，极化自由度的编码包括四个态，形式如下：
16.{|h》,|v》,| 》
p
,|-》
p
}
17.其中，|h》和v》分别是光子的水平和垂直偏振状态，对应于极化自由度的直角基；对应于极化自由度的对角基；|h》和| 》
p
代表编码信息0，|v》和|-》
p
代表编码信息1；
18.动量自由度包括四个态，形式如下：
19.{|l》,|r》,| 》s,|-》s}
20.其中，|l》和|r》分别对应于光子的两种动量模式且对应于动量自由度的直角基；对应于动量自由度的对角基；|l》和| 》s代表编码信息0，|r》和|-》s代表编码信息1。
21.作为本发明的进一步改进，在步骤(1)中，用户a和用户b对于单光子的动量自由度的编码方法为：
22.若用户a和用户b需要制备|l》或|r》，只需要让光子通过相应的路径即可；如果用户a和用户b需要制备和两个态，则需先制备|l》或|r》，再让光子再通过一个50:50分束器，使得|l》
→
| 》s，|r》
→
|-》s。
23.作为本发明的进一步改进，所述用户a和用户b可分别制备16种不同的单光子，对应4种编码信息，具体如下：
24.若编码信息为00，则对应的单光子是如下四种之一：
[0025][0026]
若编码信息为01，则对应的单光子是如下四种之一：
[0027][0028]
若编码信息为10，则对应的单光子是如下四种之一：
[0029][0030]
若编码信息为11，则对应的单光子是如下四种之一：
[0031][0032]
作为本发明的进一步改进，所述极化自由度的四个贝尔态可表示为：
[0033][0034]
动量自由度的四个贝尔态分别为：
[0035][0036]
则两个自由度的16个超纠缠贝尔态可表示为：
[0037][0038]
作为本发明的进一步改进，所述探测方c使用时间片段辅助的超纠缠贝尔态测量将16个超纠缠贝尔态划分成14个可区分组，前12个超纠缠贝尔态完全区分，第13组和第14组只能确定动量自由度的贝尔态，不能确定极化自由度的贝尔态，前12个完全区分的超纠缠贝尔态为：
[0039][0040]
第13、14组贝尔态分别为：
[0041]
13组：
[0042]
14组：
[0043]
在探测方c进行测量完成后，公布两个自由度的测量结果。
[0044]
作为本发明的进一步改进，步骤(4)中，当用户a和用户b同时选择直角基时，若任一自由度的贝尔态测量结果为表示用户a和用户b在该自由度上的编码信息相同，用户b只需进行恒等操作即可获取用户a在该自由度的编码信息；若任一自由度的贝尔态测量结果为表示用户a和用户b在该自由度上的编码信息相反，用户b需要对该自由度上的编码信息进行比特翻转操作才能获取用户a的编码信息；当用户a和用户b同时选择对角基时，若任一自由度的贝尔态测量结果为或表示用户a和用户b在该自由度上的编码信息相同，用户b只需进行恒等操
作即可获取用户a在该自由度的编码信息；若任一自由度的贝尔态测量结果为或表示用户a和用户b在该自由度上的编码信息相反，用户b需要对该自由度上的编码信息进行比特翻转操作才能获取用户a的编码信息。
[0045]
作为本发明的进一步改进，在步骤(2)中的探测方c的测量装置能完全区分动量自由度的4个贝尔态，在极化自由度，由于该贝尔态法测量无法区分第13,14组中极化贝尔态若双方都选择的是直角基，则都对应用户b和用户a手中的光子极化态相同，也可传递密文，若双方选择的是对角基，则都对应用户b和用户a手中的光子极化态则不相同，不能传递密文，双方必须舍弃掉各自极化自由度的量子比特以及贝尔态分析结果。
[0046]
本发明的有益效果是：本发明与现有技术相比，通过把所有测量交给第三方完成，可抵御所有来自测量设备端的攻击，通过在mdi-dsqc中单光子的两个自由度的独立编码，使得每个光子携带两比特的信息，这可以提高mdi-dsqc的安全性和信道容量；并且本发明中的超纠缠贝尔态测量使用线性光学器件来完成，可用现有技术实现，有效提高了方案的实用性。
附图说明
[0047]
图1为本发明基于超编码的测量设备无关确定性安全量子通信方法的通信流程图。
[0048]
图2为本发明基于超编码的测量设备无关确定性安全量子通信方法的原理图，其中bs代表50:50分束器，其功能为以50％的概率透射光子，50％的概率反射光子。
[0049]
图3为超纠缠贝尔态测量结构示意图；其中，bs代表50:50分束器，其功能为以50％的概率透射光子，50％的概率反射光子；pbs代表极化分束器，其功能为完全透射水平偏振光子(|h》)，完全反射垂直偏振光子(|v》)。hwp代表半波片，其功能为对光子的极化特性进行翻转。
[0050]
图4为不平衡干涉仪结构示意图。光学环的功能为延迟光子为t0或t1的时间间隔。
[0051]
图5为在超纠缠贝尔态测量过程中，不同的探测器响应情况以及时间间隔对应的超纠缠贝尔态。
具体实施方式
[0052]
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
[0053]
如图1所示，本发明揭示了一种基于超编码的测量设备无关确定性安全量子通信方法，主要包括：
[0054]
步骤1，用户a和用户b随机选择直角基或对角基对光子的动量和极化自由度进行编码，并分别把编码后的单光子通过量子信道发送给探测方c；
[0055]
步骤2，探测方c对用户a和用户b发送的单光子进行基于时间片段辅助的超纠缠贝尔态测量并公布测量结果；
[0056]
步骤3，用户a和用户b分别公布光子在极化自由度和动量自由度上的制备基，若双方在光子的某自由度的制备基相同，则双方保留该自由度的编码信息和贝尔态测量结果，反之，若双方在光子的某自由度的制备基不同，则双方舍弃该自由度的编码信息及贝尔态测量结果；
[0057]
步骤4，根据测量方c的测量结果以及用户a和用户b在两个自由度上的制备基，用户b对自己在两个自由度上的编码数据做相应的比特翻转或恒等操作以得到a的编码信息作为原始密文；
[0058]
步骤5，用户a和用户b不断重复步骤1至步骤4，直到达到想要发送的密文数；
[0059]
步骤6，用户a和用户b在两个自由度中均拿出一部分原始密文数据作为安全性检测比特来检测两个自由度的比特错误率，如果任一自由度的比特错误率超过了设定的误码率阈值，说明存在窃听或测量方c的欺骗，则放弃此次通信过程；否则，若两个自由度的错误率均低于设定的阈值，则说明光子传输过程安全，保留剩余部分的原始密文，并在公开信道中进行纠错和放大，完成最后安全密文的发送；
[0060]
步骤7，用户a通过一经过身份认证的经典信道将密钥发送给用户b；
[0061]
步骤8，用户b使用密钥将秘密信息恢复出来。
[0062]
在步骤1中，用户a和用户b随机选择直角基和对角基来编码动量和极化自由度的光子态；其中，极化自由度的编码包括四个态，形式如下：
[0063]
{|h》,|v》,| 》
p
,|-》
p
}
[0064]
其中，|h》和|v》分别是光子的水平和垂直偏振状态，对应于极化自由度的直角基；对应于极化自由度的对角基；|h》和| 》
p
代表编码信息0，|v》和|-》
p
代表编码信息1；
[0065]
动量自由度包括四个态，形式如下：
[0066]
{|l》,|r》,| 》s,|-》s}
[0067]
其中，|l》和|r》分别对应于光子的两种动量模式且对应于动量自由度的直角基；对应于动量自由度的对角基；|l》和| 》s代表编码信息0，|r》和|-》s代表编码信息1。
[0068]
在步骤(1)中，用户a和用户b对于单光子的动量自由度的编码方法为：
[0069]
若用户a和用户b需要制备|l》或|r》，只需要让光子通过相应的路径即可；如果用户a和用户b需要制备和两个态，则需先制备|l》或|r》，再让光子再通过一个50:50分束器，使得|l》
→
| 》s，|r》
→
|-》s。
[0070]
所述用户a和用户b可分别制备16种不同的单光子，对应4种编码信息，具体如下：
[0071]
若编码信息为00，则对应的单光子是如下四种之一：
[0072][0073]
若编码信息为01，则对应的单光子是如下四种之一：
[0074][0075]
若编码信息为10，则对应的单光子是如下四种之一：
[0076][0077]
若编码信息为11，则对应的单光子是如下四种之一：
[0078][0079]
所述极化自由度的四个贝尔态可表示为：
[0080][0081]
动量自由度的四个贝尔态分别为：
[0082][0083]
则两个自由度的16个超纠缠贝尔态可表示为：
[0084][0085]
所述探测方c使用时间片段辅助的超纠缠贝尔态测量将16个超纠缠贝尔态划分成14个可区分组，前12个超纠缠贝尔态完全区分，第13组和第14组只能确定动量自由度的贝尔态，不能确定极化自由度的贝尔态，前12个完全区分的超纠缠贝尔态为：
[0086][0087]
第13、14组贝尔态分别为：
[0088]
13组：
[0089]
14组：
[0090]
在探测方c进行测量完成后，公布两个自由度的测量结果。
[0091]
步骤(4)中，当用户a和用户b同时选择直角基时，若任一自由度的贝尔态测量结果为表示用户a和用户b在该自由度上的编码信息相同，用户b只需进行恒等操作即可获取用户a在该自由度的编码信息。
[0092]
在步骤(2)中的探测方c的测量装置能完全区分动量自由度的4个贝尔态，在极化自由度，由于该贝尔态法测量无法区分第13,14组中极化贝尔态若双方都选择的是直角基，则都对应用户b和用户a手中的光子极化态相同，也可传递密文，若双方选择的是对角基，则都对应用户b和用户a手中的光子极化态则不相同。
[0093]
下面将结合附图和具体实施例来进一步阐明本发明。
[0094]
如图1所示，本发明提供一种基于极化-动量两自由度超编码和时间片段辅助的超纠缠贝尔态测量的测量设备无关确定性量子安全通信方法，包括如下步骤：
[0095]
如附图2所示，用户a为alice，用户b为bob，探测方c为charlie。
[0096]
用户a和用户b随机选择直角基或对角基对光子的动量和极化两个自由度进行编码。首先，用户a和用户b使用极化调制器随机制备以下4个极化态之一，即：
[0097]
{|h》,|v》,| 》
p
,|-》
p
}
[0098]
其中，|h》和|v》分别是光子的水平和垂直偏振状态，对应于极化自由度的直角基；对应于极化自由度的对角基；|h》和| 》
p
代表编码信息0，|v》和|-》
p
代表编码信息1；
[0099]
动量自由度包括四个态，形式如下：
[0100]
{|l》,|r》,| 》s,|-》s}
[0101]
其中，|l》和|r》分别对应于光子的两种动量模式且对应于动量自由度的直角基；对应于动量自由度的对角基；|l》和| 》s代表编码信息0，|r》和|-》s代表编码信息1。
[0102]
如果用户a和用户b需要制备|l》或|r》，只需要让光子通过相应的路径即可；如果用户a和用户b需要制备和两个态，则需先制备|l》或|r》，再让光子再通过一个50:50分束器，使得|l》
→
| 》s，|r》
→
|-》s。
[0103]
因此，用户a和用户b可分别制备16种不同的单光子，对应4种编码信息，具体如下：
[0104]
若编码信息为00，则对应的单光子是如下四种之一：
[0105][0106]
若编码信息为01，则对应的单光子是如下四种之一：
[0107][0108]
若编码信息为10，则对应的单光子是如下四种之一：
[0109][0110]
若编码信息为11，则对应的单光子是如下四种之一：
[0111][0112]
用户a和用户b将编码好的单光子通过量子信道发送给探测方c。探测方c的测量装置采用线性光学器件对接收到的光子对进行超纠缠贝尔态测量。
[0113]
探测方c的超纠缠贝尔态测量原理图如图3,4所示。上述超纠缠光子对在极化自由度的四个贝尔态可表示为：
[0114]
[0115]
动量自由度的四个贝尔态分别为：
[0116][0117]
则探测方c处的极化-动量超纠缠光子对可处于以下16种超纠缠贝尔态：
[0118][0119]
探测方c使用时间片段辅助的超纠缠贝尔态测量可将上述16个超纠缠贝尔态划分成14个可区分组，前12个超纠缠贝尔态完全区分，第13组和第14组只能确定动量自由度的贝尔态，不能区分极化自由度的前12个可以完全区分的超纠缠贝尔态为：
[0120][0121]
第13、14组贝尔态分别为：
[0122]
13组：
[0123]
14组：
[0124]
在探测方c进行测量完成后，公布两个自由度的测量结果。本协议使用的超纠缠贝尔态分析方案中,不同的探测器响应情况及时间间隔对应的超纠缠贝尔态见表1。
[0125]
接下来，用户a和用户b分别公布光子在极化自由度和动量自由度上的制备基，若双方在光子的某自由度的制备基相同，则双方保留该自由度的编码信息和贝尔态测量结果，反之，若双方在光子的某自由度的制备基不同,则双方舍弃该自由度的编码信息及贝尔态测量结果。这里共有四种情况
[0126]
第一种情况是用户a和用户b在两个自由度都选择了相同的基。假设用户a制备的态为用户b制备的态为然后用户a和用户b将他们制备的单光子发送给探测方c利用线性光学器件进行测量。探测方c的测量结果m可以用以下式子来表示，即：
[0127][0128]
此时探测方c得到的测量结果为以上四种之一，若测量结果对应于第13组可区分组，即超纠缠贝尔态测量结果为或此时动量自由度的贝尔态是确定的，虽然极化自由度的贝尔态不能确定是还是但根据后选择规则，用户b应该保持极化自由度的比特不变，翻转动量自由度的比特，得到用户a的编码信息为00。
[0129]
第二种情况是用户a和用户b在极化自由度选择了相同的基，在动量自由度选择了
不同的基。假设用户a制备的态为用户b制备的态为然后用户a和用户b将他们制备的单光子发送给探测方c利用线性光学器件进行测量。探测方c的测量结果m可以用以下式子来表示，即：
[0130][0131]
此时探测方c得到的测量结果为以上八种之一。若测量结果对应前12个超纠缠贝尔态，那么用户b根据测量结果以及基选择，只需要对极化自由度的比特做恒等操作，即可得到用户a在极化自由度的编码信息0。若测量结果对应13和14可区分组，因为此时用户a和用户b在极化自由度选择的是直角基来编码，所以用户b只需要对极化自由度的比特做恒等操作，即可得到用户a在极化自由度的编码信息0。
[0132]
第三种情况是用户a和用户b在极化自由度选择了不同的基，在动量自由度选择了相同的基。假设用户a制备的态为用户b制备的态为然后用户a和用户b将他们制备的单光子发送给探测方c利用线性光学器件进行测量。探测方c的测量结果m可以用以下式子来表示，即：
[0133][0134]
此时探测方c得到的测量结果为以上八种之一。因为用户a和用户b只在动量自由度选择了相同的基，所以此时只考虑动量自由度的贝尔态即可。又此时动量自由度的贝尔态是确定的，根据后选择规则，用户b只需要对动量自由度的比特做比特翻转，即可得到用户a在动量自由度的比特为0。
[0135]
第四种情况是用户a和用户b在极化自由度和动量自由度都选择了不同的基。假设用户a制备的态为用户b制备的态为此种情况两个自由度的编码信息和贝尔态测量结果均被丢弃。
[0136]
这里值得注意的是，由于探测方c的测量装置能完全区分动量自由度的4个贝尔态，因此，理论上动量自由度的密文传输不受该贝尔态测量的影响。在极化自由度，由于该贝尔态法测量无法区分第13,14组中极化贝尔态若双方都选择的是直角基，则都对应用户b和用户a手中的光子极化态相同，也可以传递密文，若双方选择的是对角基，则都对应用户b和用户a手中的光子极化态则不相同。因此，为了保证密文传递的正确性，若贝尔态分析得到了第13或14组的情况，双方在极化自由度又都是选择的对角基，双方必须舍弃掉各自极化自由度的量子比特以及贝尔态分析结果。
[0137]
最后，用户a和用户b在两个自由度中均拿出一部分原始密文数据作为安全性检测比特来检测两个自由度的比特错误率，如果任一自由度的比特错误率超过了设定的误码率阈值，说明存在窃听或测量方c的欺骗，则放弃此次通信过程；否则，若两个自由度的错误率均低于设定的阈值，则说明光子传输过程安全，保留剩余部分的原始密文，并在公开信道中进行纠错和放大，完成最后安全密文的发送。
[0138]
密文传输完成后，用户a通过一经过身份认证的经典信道将密钥发送给用户b。用户b即可使用密钥将密文中的秘密信息恢复出来。
[0139]
综上所述，本发明与现有技术相比，通过把所有测量交给第三方完成，可抵御所有来自测量设备端的攻击，通过在mdi-dsqc中单光子的两个自由度的独立编码，使得每个光子携带两比特的信息，这可以提高量子通信的安全性和信道容量；并且本发明中的超纠缠贝尔态测量使用线性光学器件来完成，可用现有技术实现，有效提高了方案的实用性。
[0140]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。