基于量子加密的量子安全对话协议制造技术

如何解决信息泄露问题已经成为量子对话的研究焦点。为了克服信息泄露问题，本发明专利技术将量子加密思想首次引入到量子对话领域，提出一种新颖的在通信者之间秘密地共享初始量子态的方法，即量子加密共享。本发明专利技术利用量子加密共享提出一种基于量子加密的量子安全对话协议。本发明专利技术的协议使用EPR对作为量子私钥来加密和解密传输光子，该私钥在旋转操作后能被重复使用。量子加密共享使得初始量子态状态的公开宣布可以被省略，从而避免了信息泄露问题。本发明专利技术协议的信息论效率接近100％，高于之前的抗信息泄露量子对话协议。另外，本发明专利技术协议只需要单光子测量，而且几乎只使用单光子作为量子资源，因此容易在实际中执行。

【技术实现步骤摘要】
基于量子加密的量子安全对话方法
本专利技术涉及量子安全通信领域。本专利技术设计一种基于量子加密的量子安全对话协议，首次将量子加密思想引入到量子对话领域，提出利用量子加密共享在通信者之间秘密地共享初始量子态以解决信息泄露问题。
技术介绍
基于量子力学性质的量子密码学，已经成为量子信息处理一个有趣的分支。到目前为止，量子密码学已经得到学者们极大关注以至于许多不错的量子密码协议从不同角度被设计出来，包括量子密钥分配(QuantumKeyDistribution，QKD)[1-3]、量子秘密共享(QuantumSecretSharing，QSS)[4-6]、量子安全直接通信(QuantumSecureDirectCommunication，QSDC)[7-14]等。最近，一类特殊的量子密码协议涌现出来，即基于信道加密(或量子加密)的量子密码协议[15-21]。在基于量子加密的量子密码协议中，通信者们总是共享扮演可重复利用量子密钥角色的私密量子态，并且使用它们来加密和解密传输量子态所携带的经典秘密信息。根据通信方式，QSDC可被划分为两类：单向QSDC和双向QSDC。文献[7-14]中的所有协议属于第一种类型。双向QSDC也被称为量子对话，被Zhang等[22-23]和Nguyen[24]分别首次独立提出来。在量子对话中，通信者们能够同时实现他们各自经典秘密信息的相互交换。在这一领域的一些研究成果[22-34]中，为了实现对话，两次公开宣布总是需要的，即对初始量子态状态的宣布和对编码了所有通信者秘密信息的量子态的状态的宣布[22，24-28，30，32，34](或对初始量子态和编码了所有通信者秘密信息的量子态之间纠缠交换结果的宣布[23，29，31]，或对独立编码了一个通信者秘密信息的两个量子态之间纠缠交换结果的宣布[33])。然而，因为两次公开宣布总是存在“经典相关”[35]，那么一旦Eve收到两次公开宣布，她可以得到关于所有通信者秘密的部分信息。这样“信息泄露”[36-39]便发生，意味着即便没有任何主动攻击部分秘密也会泄露给Eve。由于后面那次宣布对于对话是必需的，防止信息泄露问题的唯一途径便在于避免第一次宣布，即对初始量子态状态的宣布。然而，为了对话的成功，不制备初始量子态的通信者们需要知道初始量子态的状态。因此，避免第一次宣布的可行解决方法为在所有通信者们之间秘密共享初始量子态。幸运地是，目前，这样做的一些方法已经被提出来，如将初始量子态进行直接传输[40，41，44，45]、利用Bell态的相关提取性[42]以及利用两个Bell态之间纠缠交换后的测量相关性[43]。本专利技术在将量子加密思想首次引入到量子对话领域后提出一种新颖的在通信者之间秘密地共享初始量子态的方法，即量子加密共享。本专利技术的协议使用EPR对作为量子私钥来加密和解密传输光子，该私钥在旋转操作后能被重复使用。量子加密共享使得初始量子态状态的公开宣布可以被省略，从而避免了信息泄露问题。本专利技术协议的信息论效率接近100％，高于之前的抗信息泄露量子对话协议。另外，本专利技术协议只需要单光子测量，而且几乎只使用单光子作为量子资源，因此容易在实际中执行。参考文献[1]BennettCH，BrassardG，Proc.Int.Conf.onComputers，SystemsandSignalProcessing，Bangalore，India(IEEE，NewYork，1984)，p.175.[2]BennettCH，BrassardG，MerminND，Phys.Rev.Lett.68(1992)557.[3]CabellA，Phys.Rev.Lett.85(2000)5635.[4]HilleryM，BuzekV，BerthiaumeA.Quantumsecretsharing[J].PhysicalReviewA，1999，59(3)：1829-1834.[5]KarlssonA，KoashiM，ImotoN.Quantumentanglementforsecretsharingandsecretsplitting[J].PhysicalReviewA，1999，59：162.[6]HsuLY.Quantumsecret-sharingprotocolbasedonGrover’salgorithm[J].PhysicalReviewA，2003，68：022306[7]BeigeA，EnglertBG，KurtsieferC，etal，ActaPhysicaPolonicaA101(2002)357.[8]BostromK，FelbingerT，Phys.Rev.Lett.89(2002)187902.[9]DengFG，LongGL，LiuXS，Phys.Rev.A68(2003)042317.[10]CaiQY，LiBW，Phys.Rev.A69(2004)054301.[11]WangC，DengFG，LongGL，Opt.Commun.253(2005)15.[12]YanX，SongHS，Phys.Lett.A364(2007)117.[13]LinS，WenQY，GaoF，ZhuFC，Phys.Rev.A78(2008)064304.[14]ChenXB，WenQY，GuoFZ，SunY，Int.J.Quant.Inform.6(2008)899.[15]ZhangYS，LiCF，GuoGC，Phys.Rev.A64(2001)024302.[16]GaoF，QinSJ，WenQY，ZhuFC，LectureNotesinComputerScience，December15-17，2005，Beijing，China，2005，Vol.3822，pp.302-312.[17]BagherinezhadS，KarimipourV，Phys.Rev.A67(2003)044302.[18]ZengGH，Chin.J.Electr.13(2004)651.[19]LiXH，LiCY，DengFG，ZhouP，LiangYJ，ZhouHY，Chin.Phys.16(2007)2149.[20]ChenXB，WangTY，DuJZ，WenQY，ZhuFC，Int.J.Quant.Inform.6(2008)543.[21]GaoF，WenQY，QinSJ，ZhuFC，Sci.ChinaSer.G-Phys.Mech.Astron.52(2009)1925.[22]ZhangZJ，ManZX，arXiv：quant-ph/0403215vl(2004)[23]ZhangZJ，ManZX，arXiv：quant-ph/0403217v4(2004)[24]NguyenBA，Phys.Lett.A328(2004)6[25]ManZX，ZhangZJ，LiY，Chin.Phys.Lett.22(2005)22[26]JinXR，JiX，ZhangYQ，ZhangS，etal.，Phys.Lett.A354(2006)67[27]ManZX，XiaYJ，Chin.Phys.Lett.23(2006)1680.[28]JiX，ZhangS，Chi本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于量子加密的量子安全对话协议，首次将量子加密思想引入到量子对话领域，提出利用量子加密共享在通信者之间秘密地共享初始量子态，以省略初始量子态状态的公开宣布，从而避免信息泄露问题；使用EPR对作为量子私钥来加密和解密传输光子，对私钥进行旋转操作后重复使用；具有接近100％的信息论效率；只需要单光子测量，而且几乎只使用单光子作为量子资源；共包括以下五个过程：S1)量子密钥产生和分发：Alice制备N个两光子对{(A1，B1)，(A2，B2)，…，(AN，BN)}，这些两光子对都为EPR对Alice从每对中提取光子A形成序列SA，这样SA＝{A1，A2，…，AN}；其余光子组成序列SB，即SB＝{B1，B2，…，BN}；为了检测窃听，Alice将一些随机处于四个量子态{|0>,|1>,|+>=12(|0>+|1>),|->=12(|0>-|1>)}]]>之一的诱骗光子插入SB，这样SB便转变成S′B；然后，Alice将S′B传送给Bob，将SA由她自己保留；在Bob宣布收到S′B后，Alice告诉Bob诱骗光子的位置和制备基；Bob用Alice告知的制备基测量诱骗光子并通知Alice他的测量结果；Alice通过比较诱骗光子的初态和Bob的测量结果计算错误率；如果错误率足够低，那么他们已经安全共享量子私钥，则继续下一步骤，否则，他们从头开始执行；S2)Alice的加密：Alice制备N个传输光子SP＝{P1，P2，…，PN}处于状态{|m1>，|m2>，…，|mN>}，其中mi＝0或1(i＝1，2，…，N)；为了检测窃听，Alice也将一些随机处于四个量子态{|0>，|1>，|+>，|‑>}之一的诱骗光子插入SP，这样，SP转变成S′P；除了诱骗光子外，Alice使用量子私钥|Ф>AB来加密S′P中的传输光子；也就是说，Alice对光子Ai和Pi(i＝1，2，…，N)施加CNOT操作，其中光子Ai为控制量子比特，Pi为目标量子比特，这样，三个光子Ai、Bi和Pi将处于GHZ态|Ψ>=12(|00mi>+|11m‾i>)AiBiPi,]]>其中m‾i=1-mi;]]>然后，Alice将S′P传送给Bob；在Bob宣布收到S′P后，Alice和Bob执行与他们在步骤S1所做的相同的安全检测程序；在证实S′P的传送足够安全后，他们继续下一步骤；S3)Bob的解密和编码：Bob首先剔除S′P中的诱骗光子，这样，S′P转变回SP；然后，Bob解密出SP中的传输光子，即Bob对光子Bi和Pi施加CNOT操作，其中光子Bi作为控制量子比特，Pi作为目标量子比特；这样，两个光子Ai和Bi以及传输光子Pi将处于与初态相同的状态，即存在然后，Bob用Z基({|0>，|1>})测量传输光子Pi以知晓Pi的初态；根据他的测量结果，Bob重新制备一个新的没有进行过测量的Pi；然后，Bob对新的Pi施加酉操作来编码他的一比特秘密信息ki(i＝1，2，…，N)，相应地，Pi转变成为了检测窃听，Bob将一些随机处于四个量子态{|0>，|1>，|+>，|‑>}之一的诱骗光子插入SP，这样，SP转变成S″p；然后，Bob将S″p传送给Alice；在Alice宣布收到S″p后，Bob和Alice也执行与他们在步骤S1所做的相同的安全检测程序；在证实S″p的传送足够安全后，他们继续下一步骤；S4)Alice的编码和量子对话：Alice首先剔除S″p中的诱骗光子，这样，S″p转变回SP；然后，Alice对SP中的施加酉操作来编码她的一比特秘密信息ri(i＝1，2，…，N)，相应地，转变成然后，Alice用Z基测量为了对话，Alice公开宣布的测量结果；根据Pi的初态、她自己的酉操作以及的测量结果，Alice能够读出Bob的一比特秘密信息ki；同样地，Bob也能够读出Alice的一比特秘密信息ri；S5)量子密钥旋转：对于每个他们共享的EPR对|Ф>AB，Alice和Bob分别对他们各自的光子旋转角度θ，旋转操作描述为R(θ)=cosθsinθ-sinθcosθ;]]>尽管R(θ)的双边操作不能改变|Ф>AB的状态，它能够阻止另一方进行窃听；在旋转后，Alice和Bob在下一轮中可以重复使用EPR对|Ф>AB作为量子私钥，并从步骤S2重新开始执行。...

【技术特征摘要】
1.一种基于量子加密的量子安全对话协议，首次将量子加密思想引入到量子对话领域，提出利用量子加密共享在通信者之间秘密地共享初始量子态，以省略初始量子态状态的公开宣布，从而避免信息泄露问题；使用EPR对作为量子私钥来加密和解密传输光子，对私钥进行旋转操作后重复使用；具有接近100％的信息论效率；只需要单光子测量，而且几乎只使用单光子作为量子资源；共包括以下五个过程：S1)量子密钥产生和分发：Alice制备N个两光子对{(A1，B1)，(A2，B2)，…，(AN，BN)}，这些两光子对都为EPR对Alice从每对中提取光子A形成序列SA，这样SA＝{A1，A2，…，AN}；其余光子组成序列SB，即SB＝{B1，B2，…，BN}；为了检测窃听，Alice将一些随机处于四个量子态之一的诱骗光子插入SB，这样SB便转变成S′B；然后，Alice将S′B传送给Bob，将SA由她自己保留；在Bob宣布收到S′B后，Alice告诉Bob诱骗光子的位置和制备基；Bob用Alice告知的制备基测量诱骗光子并通知Alice他的测量结果；Alice通过比较诱骗光子的初态和Bob的测量结果计算错误率；如果错误率足够低，那么他们已经安全共享量子私钥，则继续下一步骤，否则，他们从头开始执行；S2)Alice的加密：Alice制备N个传输光子SP＝{P1，P2，…，PN}处于状态{|m1>，|m2>，…，|mN>}，其中mi＝0或1(i＝1，2，…，N)；为了检测窃听，Alice也将一些随机处于四个量子态{|0>，|1>，|+>，|->}之一的诱骗光子插入SP，这样，SP转变成S′P；除了诱骗光子外，Alice使用量子私钥|Φ>AB来加密S′P中的传输光子；也就是说，Alice对光子Ai和Pi(i＝1，2，…，N)施加CNOT操作，其中光子Ai为控制量子比特，Pi为目标量子比特，这样，三个光子Ai、Bi和Pi将处于GHZ态其中然后，Alice将S′P传送给Bob；在Bob宣布收到S′P后，A...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶天语，
申请(专利权)人：浙江工商大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33