基于超编码的测量设备无关确定性安全量子通信方法

技术特征：
1.一种基于超编码的测量设备无关确定性安全量子通信方法，其特征在于：主要包括：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；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；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；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；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；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；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；步骤8，用户b使用密钥将秘密信息恢复出来。2.根据权利要求1所述的基于超编码的测量设备无关确定性安全量子通信方法，其特征在于：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：{|h>,|v>,| >
p
,|->
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}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| >
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代表编码信息0，|v>和|->
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代表编码信息1；动量自由度包括四个态，形式如下：{|l>,|r>,| >
s
,|->
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}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。3.根据权利要求1所述的基于超编码的测量设备无关确定性安全量子通信方法，其特征在于：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：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>
→
| >
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，|r>
→
|->
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。4.根据权利要求1所述的基于超编码的测量设备无关确定性安全量子通信方法，其特征在于：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：若编码信息为00，则对应的单光子是如下四种之一：若编码信息为01，则对应的单光子是如下四种之一：若编码信息为10，则对应的单光子是如下四种之一：若编码信息为11，则对应的单光子是如下四种之一：5.根据权利要求1所述的基于超编码的测量设备无关确定性安全量子通信方法，其特征在于：所述极化自由度的四个贝尔态可表示为：动量自由度的四个贝尔态分别为：则两个自由度的16个超纠缠贝尔态可表示为：6.根据权利要求5所述的基于超编码的测量设备无关确定性安全量子通信方法，其特征在于：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：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：第13、14组贝尔态分别为：13组：14组：在探测方c进行测量完成后，公布两个自由度的测量结果。
7.根据权利要求1所述的基于超编码的测量设备无关确定性安全量子通信方法，其特征在于：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。8.根据权利要求1所述的基于超编码的测量设备无关确定性安全量子通信方法，其特征在于：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。

技术总结
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，用户A和用户B各自随机选择直角基或对角基在极化和动量自由度编码单光子，并发送给探测方C。C利用线性光学装置进行时间片段辅助的超纠缠贝尔态测量并公布测量结果。然后，A和B公布制备基，B根据超纠缠贝尔态测量结果以及自己在光子两自由度的编码，可得到A传递的原始密文。随后双方通过纠错和放大，得到最终的安全密文。最后，A通过经典信道将密钥发送给B，B可使用密钥将恢复出密文中的秘密信息，实现信息的安全传输。本发明能有效抵御所有来自探测器端的攻击,使用极化-动量两自由度超编码可提高单光子的信道容量，可有效提高通信效率。可有效提高通信效率。可有效提高通信效率。


技术研发人员：盛宇波 云星龙 周澜 钟伟
受保护的技术使用者：南京邮电大学
技术研发日：2022.03.17
技术公布日：2022/6/28