量子通信网络中具有稠密编码特点的量子密钥分发方法技术

本发明专利技术属于量子通信网络技术领域，公开了一种量子通信网络中具有稠密编码特点的量子密钥分发方法，本发明专利技术基于Bell态粒子纠缠特点与pauli操作的关联特性，提出了一个在量子通信网络中有着实际用途、高效率的量子密码分发协议。通信双方在建立通信的过程中，由于引入了不可信第三方，量子纠缠态的制备与解纠缠、单粒子态的再纠缠等复杂操作都由不可信第三方完成。因此，使用本协议可以更加安全有效的完成量子密钥分发功能。本协议无需使用波长滤波器和PNS设备，且密钥分发过程的复杂度较低。由于使用了Bell态粒子，比起基于单光子的QPQ协议，本协议在集体噪声通道下也有更好的容噪性能。

Quantum Key Distribution with Dense Coding in Quantum Communication Networks

The invention belongs to the field of quantum communication network technology, and discloses a quantum key distribution method with dense coding characteristics in quantum communication network. Based on the correlation characteristics of Bell state particle entanglement and Pauli operation, the invention proposes a quantum cryptographic distribution protocol with practical use and high efficiency in quantum communication network. In the process of establishing communication, because of the introduction of untrustworthy third party, the preparation and decoupling of quantum entanglement and the re-entanglement of single state are all performed by untrustworthy third party. Therefore, using this protocol can complete quantum key distribution more safely and effectively. This protocol does not need to use wavelength filters and PNS devices, and the complexity of key distribution process is low. Because of the use of Bell state particles, this protocol has better noise tolerance performance in collective noise channels than QPQ protocol based on single photon.

【技术实现步骤摘要】
量子通信网络中具有稠密编码特点的量子密钥分发方法
本专利技术属于量子通信网络
，尤其涉及一种量子通信网络中具有稠密编码特点的量子密钥分发方法。
技术介绍
目前，业内常用的现有技术是这样的：量子计算机的迅速发展，使得经典的基于数学计算复杂度的密码体系无法满足现代通信与网络的安全性需要。20世纪的科学家们发现了微观世界里一种奇特的粒子现象：纠缠与关联，量子力学开始得到各行各业学者们的关注。基于量子力学中的海森堡测不准原理、可不克隆定理和量子态纠缠关联特性，人们开始建立量子密码理论体系。1984年，Bennett和Brassard利用单光子的偏振态共同研发了世界上第一个量子密钥分发协议(quantumkeydistribution,QKD)(BB84协议)；1992年，Bennett又提出了使用非正交单光子比特来实现的QKD协议(B92协议)；1991年，牛津大学的科学家Ekert提出利用Bell态纠缠特性的QKD协议；1992年Bennett、Brassard和Mermim对Ekert的方案进行改进，使之更加简洁，即不使用Bell态来实现QKD协议。随着量子技术的快速发展，出现了一系列QKD协议及其相关的实验研究；为了解决一些实际应用场景，量子身份认证(quantumidentityauthentication,QIA)、量子秘密共享(quantumsecretsharing,QSS)、量子安全直接通信(quantumsecuredirectcommunication,QSDC)等方向也成为研究热点。实际的实验环境表明，离散的单光子源在传输和测量过程中都存在不稳定和不可控风险，为了提高量子通信的安全性和效率，学者们开始研究基于连续变量的量子密码与通信理论。为了解决通信过程中测量方法和测试设备存在的安全漏洞，2012年，Lo等人提出第一个基于测量设备无关的QKD协议(MeasurementDeviceIndependentQKD,MDI-QKD)，基于此基础，研究人员又提出了一系列的MDI-QKD协议来提高量子通信的可靠程度。综上所述，现有技术存在的问题是：(1)现有的量子通信网络中，最核心的量子密钥分发方案步骤都较为复杂，密钥分发效率与粒子的使用效率呈现较大的差距。且大部分为点对点的通信方式，导致通信的效率较为低下。现有的量子通信网络中，量子密钥分发的安全性能都是基于协议本身设置的特定使用场景，在某些特定的应用场景下，通信双方都需要较为严格的安全性能认证。目前有的密钥分发协议和方案，其协议实现的复杂度都比较高，且安全性都不能抵御附加粒子纠缠攻击等攻击手段。(2)量子通信网络的快速发展，需要一个能抵御信道攻击和实际环境中噪音干扰的密钥分发协议。由于本协议使用的是量子Bell纠缠态，当前已有的研究表明，Bell态具有较好的抵抗噪音特性，在实际的通信环境中，能抵御较强的噪音干扰。(具有较强的集体容噪性)(3)量子通信网络的快速发展，需要大量使用到量子纠缠态资源，而量子纠缠态的制备成本目前还是十分的昂贵。本协议是一个基于稠密编码的量子密钥分发协议，这就是说：一个量子携带了2比特的信息，这样使得量子纠缠态资源的制备成本有了较大的降低。解决上述技术问题的难度：如何确保通信过程中用户的密钥不被外部攻击者窃听。目前大部分的协议都集中在协议本身安全性的分析，以保障其无条件安全，对于实际通信网络中，多个用户的通信隐私性与安全性却没有很好的保障。本专利技术的协议较好的保障了通信过程中用户的安全，能抵御假信号攻击、附加粒子纠缠攻击等多做窃听手段。目前的量子密钥分发协议缺乏高效性。由于大部分的密钥协议都是点对点的通信协议，无需过多考虑通信过程中，粒子使用效率问题。但点对点的通信方式无法满足多用户网络通信需求，或者分布式网络中，多方用户同时进行双向，多向的通信。本专利技术的协议实现了两用户直接的安全高效通信，由于引入了不可信第三方，大大减轻了协议过程中量子态制备和纠缠等操作。这种基于不可信节点的思想，能有效的将量子密钥分发协议进一步推广到多用户网络，这能解决目前的分布式网络中，许多需要多方通信的应用场景实际需要。解决上述技术问题的意义：为了提高量子通信网络中的量子密钥的分发效率和安全性，本专利技术基于稠密编码思想，并引入了不可信第三方完成量子态的制备和纠缠操作，提出了一种安全高效的量子密钥分发协议。通信双方对量子态执行一次pauli操作，根据Bell态纠缠粒子与pauli操作之间的关联关系，就能完成一次密钥分发过程。协议的安全性分析和效率分析表明，系统在不同的攻击策略下都是安全且高效的。
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量子通信网络中具有稠密编码特点的量子密钥分发方法。本专利技术是这样实现的，一种量子通信网络中具有稠密编码特点的量子密钥分发方法，所述量子通信网络中具有稠密编码特点的量子密钥分发方法包括：在量子态的制备和纠缠过程中，引入了不可信第三方UTP参与协议；第一参与方和第二参与方均按照相同编码规则{I:00,X:01,Y:10,Z:11}对Pauli操作符进行编码。进一步，所述量子通信网络中具有稠密编码特点的量子密钥分发方法具体包括：1)UTP制备一串Bell态粒子序列然后将所有下标为1的粒子抽取后形成序列P1，将所有下标为2的粒子抽取后形成序列P2；不可信第三方UTP随机在序列P1和P2中插入足量的诱骗态粒子用作窃听检测，并将P1和P2分别发送给第一参与方和第二参与方；2)第一参与方和第二参与方接收完粒子序列后，先检测各自手中的粒子是否为一对相同Bell态粒子的组成部分；检测通过后，通知不可信第三方UTP公布诱骗态粒子的位置与测量基；第一参与方和第二参与方分别抽取各种粒子序列中的诱骗态粒子进行测量，完成测量后与UTP对比诱骗态粒子的状态信息；若错误率低于设置的阈值，协议继续；否则，协议取消；3)第一参与方和第二参与方对自己手中的粒子序列P1和P2，随机选择并记录Pauli操作符对其进行线性变换；此时通信双方形成新的粒子序列P1'和P2'；根据编码规则，双方得到生密钥(keyAlice＝{01...},keyBob＝{01...})；第一参与方和第二参与方在各自新的粒子序列P1'和P2'中插入足量诱骗态粒子，并发回给不可信第三方UTP；4)不可信第三方UTP完成接收后通知第一参与方和第二参与方公布诱骗态粒子的位置和测量基，不可信第三方UTP对P1'和P2'进行窃听检测；完成窃听检测，协议进行到下一步，否则协议取消；5)不可信第三方UTP对P1'和P2'执行Bell基联合测量，使P1'和P2'再纠缠；并公布得到的Bell态粒子序列S＝{|φ±>,|ψ±>}；检测通过协议进行到下一步，否则协议取消；6)第一参与方和第二参与方根据不可信第三方UTP公布的Bell态粒子序列S，推测出对方对每个位置的粒子做哪种Pauli操作；根据编码规则，推导出对方手中的生密钥序列key。进一步，步骤4)不可信第三方UTP对P1'和P2'进行窃听检测中，检测方法包括：第一参与方和第二参与方接收完粒子序列后，先检测各自手中的粒子是否为一对相同Bell态粒子的组成部分；检测通过后，通知UTP公布诱骗态粒子的位置与测量基；第一参本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种量子通信网络中具有稠密编码特点的量子密钥分发方法，其特征在于，所述量子通信网络中具有稠密编码特点的量子密钥分发方法包括：在量子态的制备和纠缠过程中，引入了不可信第三方UTP参与协议；第一参与方和第二参与方均按照相同编码规则{I:00,X:01,Y:10,Z:11}对Pauli操作符进行编码。

【技术特征摘要】
1.一种量子通信网络中具有稠密编码特点的量子密钥分发方法，其特征在于，所述量子通信网络中具有稠密编码特点的量子密钥分发方法包括：在量子态的制备和纠缠过程中，引入了不可信第三方UTP参与协议；第一参与方和第二参与方均按照相同编码规则{I:00,X:01,Y:10,Z:11}对Pauli操作符进行编码。2.如权利要求1所述的量子通信网络中具有稠密编码特点的量子密钥分发方法，其特征在于，所述量子通信网络中具有稠密编码特点的量子密钥分发方法具体包括：1)UTP制备一串Bell态粒子序列然后将所有下标为1的粒子抽取后形成序列P1，将所有下标为2的粒子抽取后形成序列P2；不可信第三方UTP随机在序列P1和P2中插入足量的诱骗态粒子用作窃听检测，并将P1和P2分别发送给第一参与方和第二参与方；2)第一参与方和第二参与方接收完粒子序列后，先检测各自手中的粒子是否为一对相同Bell态粒子的组成部分；检测通过后，通知不可信第三方UTP公布诱骗态粒子的位置与测量基；第一参与方和第二参与方分别抽取各种粒子序列中的诱骗态粒子进行测量，完成测量后与UTP对比诱骗态粒子的状态信息；若错误率低于设置的阈值，协议继续；否则，协议取消；3)第一参与方和第二参与方对自己手中的粒子序列P1和P2，随机选择并记录Pauli操作符对其进行线性变换；此时通信双方形成新的粒子序列P1'和P2'；根据编码规则，双方得到生密钥(keyAlice＝{01...},keyBob＝{01...})；第一参与方和第二参与方在各自新的粒子序列P1'和P2'中插入足量诱骗态粒子，并发回给不可信第三方UTP；4)不可信第三方UTP完成接收后通知第一参与方和第二参与方公布诱骗态粒子的位置和测量基，不可信第三方UTP对P1'和P2'进行窃听检测；完成窃听检测，协议进行到下一步，否则协议取消；5...

【专利技术属性】
技术研发人员：张仕斌，郑涛，
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