一种设备无关的高信道容量量子通信系统及方法技术方案

本发明专利技术属于信息处理技术领域，公开了一种设备无关的高信道容量量子通信系统及方法，通信方法采用多自由度下的超纠缠态作为量子载体，建立设备无关的超纠缠量子通信模型，进行密集编码；通过计算出每粒子能传输的信息量，并与其他协议中的该信息量对比，验证信道容量；同时本发明专利技术公开一种设备无关的高信道容量量子通信系统。本发明专利技术通过分发两个粒子完成了两位设备无关密钥的分发，量子效率达到了1；如果采用普通纠缠态如Bell态作为量子载体，通过分发两个粒子只能完成一位设备无关密钥的分发，量子效率只有0.5。

A device independent high channel capacity quantum communication system and method

The invention belongs to the field of information processing technology, and discloses a device independent high channel capacity quantum communication system and method. The communication method uses the hyper entanglement state under the multi degree of freedom as the quantum carrier to establish the device independent hyper entanglement quantum communication model and carry out dense coding. By calculating the letters that each particle can transmit. The amount of information is compared with the amount of information in other protocols to verify the capacity of the channel; meanwhile, the invention discloses a device independent high channel capacity quantum communication system. The invention completes the distribution of two bit device independent keys by distributing two particles, and the quantum efficiency reaches 1. If the common entangled state, such as the Bell state, is used as a quantum carrier, only one device independent key can be distributed by distributing two particles, the quantum efficiency is only 0.5.

【技术实现步骤摘要】
一种设备无关的高信道容量量子通信系统及方法
本专利技术属于信息处理
，尤其涉及一种设备无关的高信道容量量子通信系统及方法。
技术介绍
目前，业内常用的现有技术是这样的：为推进量子通信的实用化，安全性和安全前提下提高信道容量是迫切需要解决的两个关键问题。在以往的研究中，量子通信的安全性由量子力学原理保证，量子态制备源和测量设备都默认为完美。然而在现实条件下，很难实现完美的制备源和测量设备，因而，现实的量子通信系统可能存在各种安全隐患。针对设备的不完美性已有多种攻击方案导致秘密信息泄露，如“时间位移攻击”、“死时间攻击”和“强光致盲攻击”等等。也就是说，理论上绝对安全的量子通信协议，在实际中可能很不安全。因此，在设备不可信任的前提下，研究安全的量子通信协议是推进量子通信的实用化，保证安全性，必须要迈出的第一步。此外，在设备不可信任前提下，实际的信道容量会被大大降低，如果通信中的信道容量过低，就无法真正实现实用的量子安全通信协议。因此研究设备不可信任条件下，安全且有较高容量的量子通信协议既有理论意义，又有实用价值。目前对设备不可信任前提下量子通信的理论和技术研究主要集中在以下五方面：设备无关的量子安全通信研究，屏蔽由于制备源和测量设备不可信任引起的侧信道攻击漏洞。测量设备无关的量子安全通信研究，只屏蔽测量设备不可信任引起的侧信道攻击漏洞。由非可信任第三方对通信双方发送的粒子进行纠缠态测量并公布结果，通信双方通过判断各自输入数据的关联性生成密钥，从而移除探测器侧信道漏洞。然而，无法屏蔽制备源不可信任引起的侧信道攻击漏洞，只能利用诱骗态方法规避非理想光源带来的安全性问题。半设备无关的量子密钥分发研究，该研究假定制备源和测量设备都不可信，但要求通信一方制备已知Hilbert空间维度的量子系统。单边设备无关的量子密钥分发研究，主要研究在通信双方中只有一方设备不可信任的场景前提下，利用EPR-steering不等式违背判定，屏蔽一方测量设备不可信任引起的侧信道攻击漏洞。然而，以上设备不可信任前提下的量子安全通信研究中，均没有考虑任何通信中都必不可少的一个问题：没有考虑编码效率问题，在设备不可信任前提下，实际的信道容量会被大大降低，如果通信中的信道容量过低，就无法真正实现实用的量子安全通信协议。综上所述，现有技术存在的问题是：现有技术在实际的通信中，很不安全。现有技术大部分都没有考虑设备不可信任带来的安全隐患，即使有少数技术考虑了设备不可信任的因素，但也还没有考虑设备不可信任带来的编码效率低的问题。因此，现有技术理论上很安全，实际并不安全，而且效率不高。解决上述技术问题的难度和意义：本专利技术可以防止(屏蔽)由于制备源设备或测量设备不可信任(由窃听者控制或提供)带来的信息泄露，抵御常见的侧信道攻击漏洞，如“时间位移攻击”、“死时间攻击”和“强光致盲攻击”等等，提供安全可靠的通信；同时也提高了设备无关量子通信的信道容量，以密钥分发为例，量子效率提高1倍。目前，利用现有技术进行密钥分发，量子效率的理论值最高只能达到0.5，而本专利技术提出的技术，量子效率的理论值最高能达到1。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种设备无关的高信道容量量子通信系统及方法。本专利技术是这样实现的，一种设备无关的高信道容量量子通信方法，包括：建立与量子态制备源无关的量子通信模型：在最坏情况下，由窃听者制备纠缠态的量子态密度函数模型；然后在所述量子态密度函数描述模型下设计量子协议时，依据Bell不等式的违背原则剔除非纠缠态，保留超纠缠态，并基于超纠缠态通信，依据纠缠的单配性和不超光速原理，使窃听者无法通过控制制备源来获取任何秘密信息；建立与设备无关的量子通信模型：所述设备无关包括制备源无关和测量设备无关；只分析测量输入和输出结果之间的统计概率关系是否违背Bell类不等式，并以此作为考量量子通信中是否有窃听者的判定条件，构建与测量设备无关的量子通信模型；使分发给用户用于通信的量子态处于最大纠缠态，并根据纠缠的单配性原理和不超光速原理，使得窃听者无论采用何种手段都无法通过测量设备获取合法用户的秘密信息；建立与设备无关的高信道容量量子通信模型：采用多自由度下的超纠缠态作为量子载体，建立设备无关的超纠缠量子通信模型进行密集编码。进一步，所述建立与量子态制备源无关的量子通信模型中，包括：假设由窃听者Eve制备该纠缠态然后再分发给发送端和接收端进行下一步的通信；窃听者Eve为尽可能多的获取发送端和接收端的秘密信息，Eve不制备完美的超纠缠Bell态；相反的，窃听者Eve制备一个超纠缠态和非纠缠态的混合态，混淆发送端和接收端使其不发现自己的窃听行为，又获取发送端和接收端的秘密信息；用下面的密度函数模型表示窃听者Eve制备的超纠缠Bell态：该密度函数模型表示：窃听者Eve制备的态是一个超纠缠态和非纠缠态I/4的混合态，所述混合态中超纠缠态的可视度为p，非纠缠态I/4的可视度为1–p；根据纠缠的单配性原理，如果窃听者Eve制备纠缠态，将无法获取发送端和接收端的任何秘密信息；而如果窃听者Eve制备非纠缠态，则获取发送端和接收端的部分秘密信息；发送端和接收端在分析信道中可能的各种噪音的影响时，接受原本的变换为如果在通信中依据Bell不等式的违背原则剔除非纠缠态，保留超纠缠态，并基于超纠缠态通信，依据纠缠的单配性和不超光速原理，窃听者Eve无法获取发送端和接收端的任何秘密信息。进一步，所述建立与设备无关的量子通信模型，包括：如果窃听者Eve将A粒子发送给发送端，B粒子发送给接收端；发送端和接收端分别随机选取测量输入x和y∈{0,1}测量各自的粒子，其中x＝0表示先ZS基测量再ZP基测量，x＝1表示先ZS基测量再XP基测量；其中y＝0表示先ZS基测量再基测量，y＝1表示先ZS基测量再基测量；发送端和接收端的测量结果分别表示为a和b∈{0l,0u,1l,1u}；定义CHSH不等式P(a0＝b0)+P(a0＝b1)+P(a1＝b0)+P(a1≠b1)≤3，其中P(aj＝bk)＝P(a＝b＝0l|x＝j,y＝k)+P(a＝b＝0u|x＝j,y＝k)+P(a＝b＝1l|x＝j,y＝k)+P(a＝b＝1u|x＝j,y＝k)。发送端和接收端选取一些粒子计算条件概率P(a,b|x,y)，并判断是否违背CHSH不等式，如果违背，则表示窃听者Eve分发给发送端和接收端的粒子处于超纠缠态。进一步，所述原本的为一个偏振态自由度和路径模式自由度下的超纠缠Bell态；其中|0>和|1>分别表示光子的水平偏振态和垂直偏振态；下标A和B分别表示处于超纠缠态的两个光子；l和u表示光子A和B的不同路径模式；下标P表示偏振态自由度，下标S表示路径模式自由度；一个紫外线光泵脉冲穿过一个硼酸钡β水晶BBO就会在模式u产生相互关联的光子对；经过反射后第二次穿过该水晶，又会在模式l产生相互关联的光子对；对于一个偏振态自由度和路径模式自由度下的两光子超纠缠Bell态量子系统，有16种Bell态，表示为：其中|Θ>P表示偏振态自由度下的四种Bell态之一:其中|Ξ>S表示路径模式自由度下的四种Bell态之一:采用CHBSA，区分16种超纠缠Bel本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种设备无关的高信道容量量子通信方法，其特征在于，所述设备无关的高信道容量量子通信方法包括：建立与量子态制备源无关的量子通信模型：在最坏情况下，由窃听者制备纠缠态的量子态密度函数模型；然后在所述量子态密度函数描述模型下设计量子协议时，依据Bell不等式的违背原则剔除非纠缠态，保留超纠缠态，并基于超纠缠态通信，依据纠缠的单配性和不超光速原理，使窃听者无法通过控制制备源来获取任何秘密信息；建立与设备无关的量子通信模型：所述设备无关包括制备源无关和测量设备无关；只分析测量输入和输出结果之间的统计概率关系是否违背Bell类不等式，并以此作为考量量子通信中是否有窃听者的判定条件，构建与测量设备无关的量子通信模型；使分发给用户用于通信的量子态处于最大纠缠态，并根据纠缠的单配性原理和不超光速原理，使得窃听者无论采用何种手段都无法通过测量设备获取合法用户的秘密信息；建立与设备无关的高信道容量量子通信模型：采用多自由度下的超纠缠态作为量子载体，建立设备无关的超纠缠量子通信模型进行密集编码。

【技术特征摘要】
1.一种设备无关的高信道容量量子通信方法，其特征在于，所述设备无关的高信道容量量子通信方法包括：建立与量子态制备源无关的量子通信模型：在最坏情况下，由窃听者制备纠缠态的量子态密度函数模型；然后在所述量子态密度函数描述模型下设计量子协议时，依据Bell不等式的违背原则剔除非纠缠态，保留超纠缠态，并基于超纠缠态通信，依据纠缠的单配性和不超光速原理，使窃听者无法通过控制制备源来获取任何秘密信息；建立与设备无关的量子通信模型：所述设备无关包括制备源无关和测量设备无关；只分析测量输入和输出结果之间的统计概率关系是否违背Bell类不等式，并以此作为考量量子通信中是否有窃听者的判定条件，构建与测量设备无关的量子通信模型；使分发给用户用于通信的量子态处于最大纠缠态，并根据纠缠的单配性原理和不超光速原理，使得窃听者无论采用何种手段都无法通过测量设备获取合法用户的秘密信息；建立与设备无关的高信道容量量子通信模型：采用多自由度下的超纠缠态作为量子载体，建立设备无关的超纠缠量子通信模型进行密集编码。2.如权利要求1所述的设备无关的高信道容量量子通信方法，其特征在于，所述建立与量子态制备源无关的量子通信模型中，包括：假设由窃听者Eve制备该纠缠态然后再分发给发送端和接收端进行下一步的通信；窃听者Eve为尽可能多的获取发送端和接收端的秘密信息，Eve不制备完美的超纠缠Bell态；相反的，窃听者Eve制备一个超纠缠态和非纠缠态的混合态，混淆发送端和接收端使其不发现自己的窃听行为，又获取发送端和接收端的秘密信息；用下面的密度函数模型表示窃听者Eve制备的超纠缠Bell态：该密度函数模型表示：窃听者Eve制备的态是一个超纠缠态和非纠缠态I/4的混合态，所述混合态中超纠缠态的可视度为p，非纠缠态I/4的可视度为1–p；根据纠缠的单配性原理，如果窃听者Eve制备纠缠态，将无法获取发送端和接收端的任何秘密信息；而如果窃听者Eve制备非纠缠态，则获取发送端和接收端的部分秘密信息；发送端和接收端在分析信道中可能的各种噪音的影响时，接受原本的变换为如果在通信中依据Bell不等式的违背原则剔除非纠缠态，保留超纠缠态，并基于超纠缠态通信，依据纠缠的单配性和不超光速原理，窃听者Eve无法获取发送端和接收端的任何秘密信息。3.如权利要求1所述的设备无关的高信道容量量子通信方法，其特征在于，所述建立与设备无关的量子通信模型，包括：如果窃听者Eve将A粒子发送给发送端，B粒子发送给接收端；发送端和接收端分别随机选取测量输入x和y∈{0,1}测量各自的粒子，其中x＝0表示先ZS基测量再ZP基测量，x＝1表示先ZS基测量再XP基测量；其中y＝0表示先ZS基测量再基测量，y＝1表示先ZS基测量再基测量；发送端和接收端的测量结果分别表示为a和b∈{0l,0u,1l,1u}；定义CHSH不等式P(a0＝b0)+P(a0＝b1)+P(a1＝b0)+P(a1≠b1)≤3，其中P(aj＝bk)＝P(a＝b＝0l|x＝j,y＝...

【专利技术属性】
技术研发人员：昌燕，张仕斌，
申请(专利权)人：成都信息工程大学，
类型：发明
国别省市：四川,51