基于纠缠光子对的量子安全直接通信方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于纠缠光子对的量子安全直接通信方法及系统，包括纠缠源、数据发送端和数据接收端，数据发送端包括：第一偏振分束器、第一法拉第旋转反射镜和可控光开关，可控光开关的其中一个输出端连接有第二法拉第旋转反射镜，可控光开关从数据源获取发送的量子比特；数据接收端包括依次连接的第二偏振分束器、第三偏振分束器和第四偏振分束器，第四偏振分束器的两输出端分别连接一个单光子检测器；多个纠缠源产生多个纠缠光子对，纠缠光子对中的一个光子将经合波器发送至数据发送端，另一光子经合波器发送至数据接收端，根据单光子检测器检测到的光子数量确定接收的量子比特。本发明专利技术中信息的传输不直接通过通信线路，信息传输安全性高。

Quantum secure direct communication method and system based on entangled photon pairs

The invention discloses a quantum secure direct communication method and system based on entangled photon pairs, including an entanglement source, a data transmitter and a data receiver. The data transmitter includes a first polarization beam splitter, a first Faraday rotating mirror and a controllable optical switch. One output of the controllable optical switch is connected with a second output. A Faraday rotating mirror with a controllable optical switch obtains transmitted quantum bits from a data source; the data receiver includes a second polarization beam splitter, a third polarization beam splitter and a fourth polarization beam splitter connected sequentially; two output terminals of the fourth polarization beam splitter are connected to a single photon detector; multiple entanglement sources produce multiple entanglements In the entangled photon pair, one photon in the entangled photon pair sends the OECD to the data transmitter and the other to the data receiver. The received quantum bit is determined according to the number of photons detected by the single photon detector. The information transmission in the invention is not directly transmitted through the communication line, and the information transmission is highly secure.

【技术实现步骤摘要】
基于纠缠光子对的量子安全直接通信方法及系统
本专利技术涉及量子通信
，尤其涉及一种基于纠缠光子对的量子安全直接通信方法及系统。
技术介绍
光通信网现已成为最主要的通信网络，而光通信网络在为用户提供大容量、高带宽的通信方式之时，也面临着越来越严重的网络安全问题，其中如何保证通信信息不被窃听、复制、和伪造破坏，实现安全的信息通信成为了一个巨大的挑战。而利用量子量子力学原理和各种量子特性，实现量子通信将可以有效的保证通信信息的安全。目前量子通信主要通过量子技术实现量子密钥的生成和分发，再由量子密钥加密信息并通过经典信息通道传输，而量子安全直接通信的技术开发和研究尚未实用化。量子安全直接通信是指通信双方以量子态为信息载体，利用量子力学原理和各种量子特性，通过量子信道，在通信双方之间安全的、无泄露的直接传输有效信息，特别是传输机密信息的方法。量子安全直接通信无需产生量子密钥，可以直接安全传输机密信息，提高了通信效率。与量子通信密码类似，量子安全直接通信的安全性也是由量子力学中的不确定性关系和不可复制性以及纠缠光子的关联性和非定域性等量子特性来保证的，安全性体现在窃听者得不到任何机密信息。与量子密钥分发不同，量子密钥分发要求能够检测出窃听者，放弃通信过程，而量子安全直接通信传递的是信息，要求不能泄露信息，这样量子安全直接通信的要求就要高于量子密钥分发。因此，量子安全直接通信方法可以用于量子密钥的分发，反之不然。量子安全直接通信需要满足两个要求：1.接收者接收到作为信息载体的量子态后，可以直接读出发送者发出的机密信息，而不需要与发送者交换额外的经典辅助信息；2.即使窃听者窃听了量子信道，也得不到任何机密信息。基于量子安全直接通信的方法主要有：Ping-Pong量子安全直接通信协议、两步量子安全直接通信协议、基于单光子的QSDC协议等。然而，以上通信方法都需要数据的接收和发送方相互间交互对光量子的测量结果，而测量结果的传输将通过经典通信信道完成。采用以上几种方法，数据的传输过程需要发送方和接收方间的相互协商才能完成。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于纠缠光子对的量子安全直接通信方法及系统，解决现有技术中量子安全直接通信需要发送方和接收方之间相互协商才能完成导致信息传送效率低、安全性不高的技术问题。为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：基于纠缠光子对的量子安全直接通信方法，包括如下步骤：制备多个偏振态相互正交的纠缠光子对，分选每个纠缠光子对中的其中一个光子经第一合波器发送给数据发送端，另一个光子经第二合波器发送给数据接收端；数据发送端通过第一偏振分束器从接收到的光子束中分选一束光子，设为S1发；数据接收端通过第二偏振分束器从接收到的光子束中分选一束光子，设为S1收，光子束S1发和光子束S1收处于纠缠态；数据发送端将S1发偏振方向旋转90°，设为S2发，并将S2发传送至可控光开关，可控光开关从数据源读取需要发送的量子比特，根据需要发送的量子比特控制开关切换位置，使S2发保持偏振态不变或偏振态旋转90°；数据接收端通过第三偏振分束器从光子束S1收中分选一束光子，设为S2收，光子束S2发和光子束S2收处于纠缠态；通过第四偏振分束器将光子束S2收，设为和统计并比较同一时段内两光子束和的光子数量，根据检测到的光子数量确定数据发送端发送的量子比特。进一步的，数据接收端接收到第二合波器发送光子的时间滞后于数据发送端接收到第一合波器发送光子的时间。进一步的，根据检测到的光子数量确定数据发送端发送的比特的方法如下：若检测到光子束中单光子数量大于光子束中单光子数量的1.5倍，或者光子束中单光子数量大于光子束中单光子数量的1.5倍，则认定数据发送端S2发保持偏振态不变或偏振态旋转90°，从而得到可控光开关的切换位置，进一步确定数据发送端所发送的比特；若检测到光子束中单光子数量不大于光子束中单光子数量的1.5倍，或者光子束中单光子数量不大于光子束中单光子数量的1.5倍，则作为误码忽略不计。本专利技术还提供一种基于纠缠光子对的量子安全直接通信系统，包括：多个纠缠源：用于制备多个偏振态相互正交的纠缠光子对；第一合波器：用于从多个纠缠光子对中分选的光子传输给数据发送端；第二合波器：用于从多个纠缠光子对中分选的光子传输给数据接收端；数据发送端：包括第一偏振分束器、第一法拉第旋转反射镜、可控光开关、第二法拉第旋转反射镜和数据源；第一偏振分束器从第一合波器输出的光子束中分选一束传输至第一法拉第旋转反射镜，第一法拉第旋转反射镜将接收到的光子束偏振态旋转90°后传输至可控光开关，可控光开关从所述数据源读取需要发送的比特，根据需要发送的比特控制开关切换位置，使可控光开关接收到的光子束保持偏振态不变或通过第二法拉第旋转反射镜偏振态旋转90°；数据接收端：包括依次连接的第二偏振分束器、第三偏振分束器和第四偏振分束器，第四偏振分束器的两输出端分别连接有单光子检测器；第二偏振分束器从第二合波器输出的光子束中分选一束传输至第三偏振分束器，第三偏振分束器从接收到的光子束中分选出一束传输至第四偏振分束器，第四偏振分束器将接收到的光子束分成两束分别传输至两单光子检测器，根据两单光子检测器检测到的光子数量确定数据发送端发送的量子比特；其中：第一法拉第旋转反射镜接收到的光子束与第三偏振分束器接收到的光子束处于纠缠态；可控光开关接收到的光子束与第四偏振分束器接收到的光子束处于纠缠态。进一步的，第一合波器通过第一单模光纤通道将从多个纠缠光子对中分选的光子传输给数据发送端；第二合波器通过第二单模光纤通道将从多个纠缠光子对中分选的光子传输给数据接收端；第二单模光纤通道的长度大于第一单模光纤通道的长度。优选的，第一偏振分束器与第一法拉第旋转反射镜之间、第一法拉第旋转反射镜与可控光开关之间分别通过保偏光纤连接。进一步的，所述数据发送端还包括第一激光终止器、第二激光终止器，第一偏振分束器将分选出的未传输至第一法拉第旋转反射镜的光子束传输至第一激光终止器；可控光开关的一个输出端连接至第二激光终止器，另一输出端经第二法拉第旋转反射镜连接至第二激光终止器。进一步的，数据接收端还包括第三激光终止器，第二偏振分束器将分选出的未传输至第三偏振分束器的光子束传输至第三激光终止器；同时第三偏振分束器将分选出的未传输至第四偏振分束器的光子束也传输至第三激光终止器。与现有技术相比，本专利技术所达到的有益效果是：本专利技术可以通过数据的接收方直接测量光量子的状态(偏正态)获取发送的传输的数据信息；同时接收方的测量结果无需通过其他的通信方式告诉发送方；传输数据的保密性将由接收方和发送方设备的内部结构所决定，增加了攻击者攻击传输信息的难度；通过本专利技术可以实现在常规光纤通信链路上直接保密通信；也可用于加密密钥的传输。附图说明图1是本专利技术提供的基于纠缠光子对的量子安全直接通信系统的结构示意图；图2是本专利技术提供的基于纠缠光子对的量子安全直接通信方法的流程图。具体实施方式本专利技术可以采用常规的光通信线路，使用纠缠源制备偏振态相互正交的纠缠光子对，通过多个纠缠源分别制备不同偏振态组合的纠缠光子对，通过合波器将光子对中的一组通过光纤传送到数据发送端，另一组通过光纤传送到数据接收端。确保数据接收本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于纠缠光子对的量子安全直接通信方法，其特征在于，包括如下步骤：制备多个偏振态相互正交的纠缠光子对，分选每个纠缠光子对中的其中一个光子经第一合波器发送给数据发送端，另一个光子经第二合波器发送给数据接收端；数据发送端通过第一偏振分束器从接收到的光子束中分选一束光子，设为S1发；数据接收端通过第二偏振分束器从接收到的光子束中分选一束光子，设为S1收，光子束S1发和光子束S1收处于纠缠态；数据发送端将S1发偏振方向旋转90°，设为S2发，并将S2发传送至可控光开关，可控光开关从数据源读取需要发送的比特，根据需要发送的比特控制开关切换位置，使S2发保持偏振态不变或偏振态旋转90°；数据接收端通过第三偏振分束器从光子束S1收中分选一束光子，设为S2收，光子束S2发和光子束S2收处于纠缠态；通过第四偏振分束器将光子束S2收，设为

【技术特征摘要】
1.基于纠缠光子对的量子安全直接通信方法，其特征在于，包括如下步骤：制备多个偏振态相互正交的纠缠光子对，分选每个纠缠光子对中的其中一个光子经第一合波器发送给数据发送端，另一个光子经第二合波器发送给数据接收端；数据发送端通过第一偏振分束器从接收到的光子束中分选一束光子，设为S1发；数据接收端通过第二偏振分束器从接收到的光子束中分选一束光子，设为S1收，光子束S1发和光子束S1收处于纠缠态；数据发送端将S1发偏振方向旋转90°，设为S2发，并将S2发传送至可控光开关，可控光开关从数据源读取需要发送的比特，根据需要发送的比特控制开关切换位置，使S2发保持偏振态不变或偏振态旋转90°；数据接收端通过第三偏振分束器从光子束S1收中分选一束光子，设为S2收，光子束S2发和光子束S2收处于纠缠态；通过第四偏振分束器将光子束S2收，设为和统计并比较同一时段内两光子束和的光子数量，根据检测到的光子数量确定数据发送端发送的量子比特。2.根据权利要求1所述的基于纠缠光子对的量子安全直接通信方法，其特征在于，数据接收端接收到第二合波器发送光子的时间滞后于数据发送端接收到第一合波器发送光子的时间。3.根据权利要求1所述的基于纠缠光子对的量子安全直接通信方法，其特征在于，根据检测到的光子数量确定数据发送端发送的量子比特的方法如下：若检测到光子束中单光子数量大于光子束中单光子数量的1.5倍，或者光子束中单光子数量大于光子束中单光子数量的1.5倍，则认定数据发送端S2发保持偏振态不变或偏振态旋转90°，从而得到可控光开关的切换位置，进一步确定数据发送端所发送的量子比特；若检测到光子束中单光子数量不大于光子束中单光子数量的1.5倍，或者光子束中单光子数量不大于光子束中单光子数量的1.5倍，则作为误码忽略不计。4.基于纠缠光子对的量子安全直接通信系统，其特征在于，包括多个纠缠源：用于制备多个偏振态相互正交的纠缠光子对；第一合波器：用于从多个纠缠光子对中分选的光子传输给数据发送端；第二合波器：用于从多个纠缠光子对中分选的光子传输给数据接收端；数据发送端：包括第一偏振分束器、第一法拉第旋转反射镜、可控光开关、第二法拉第旋转反射镜和数据源；第一偏振分束器从...

【专利技术属性】
技术研发人员：童和钦，倪明，薛禹胜，罗剑波，李悦岑，赵丽莉，
申请(专利权)人：国电南瑞科技股份有限公司，南瑞集团有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32