抗集体退相位噪声的错误容忍信道加密量子对话方法技术

本发明专利技术提出一个抗集体退相位噪声的错误容忍信道加密量子对话方法。每个由两物理量子比特构成的无消相干态被用于抵抗集体退相位噪声。量子私钥在集体退相位噪声信道被通信双方安全共享。通过利用量子私钥进行加解密，每个传输的两粒子逻辑量子比特的初态被通信双方秘密共享。通信双方的秘密信息通过复合酉操作被编码在传输的两粒子逻辑量子比特。量子加密共享传输的两粒子逻辑量子比特的初态使得信息泄露问题被克服。只要旋转角度选择恰当，旋转后量子私钥可被重复利用，节省了量子资源。这样，本发明专利技术方法的信息论效率几乎达到66.7％，远高于之前的抗噪声无信息泄露量子对话方法。在整个对话过程，除了安全检测外，本发明专利技术方法仅需单粒子测量。

【技术实现步骤摘要】
抗集体退相位噪声的错误容忍信道加密量子对话方法
本专利技术涉及量子安全通信领域。本专利技术设计一种抗集体退相位噪声的错误容忍信道加密量子对话方法，达到量子对话抗信息泄露和噪声干扰的目的。
技术介绍
量子密码的安全性是基于量子力学性质而非解决数学问题的计算复杂性，可被视为经典密码在量子力学领域的推广。量子密码首次诞生于Bennett和Brassard[1]在1984年的开创性工作。直到现在，它已经拓展为许多有趣的分支，如量子密钥分配(Quantumkeydistribution，QKD)[1-5]、量子秘密共享(Quantumsecretsharing，QSS)[6-8]、量子安全直接通信(Quantumsecuredirectcommunication，QSDC)[9-20]等。众所周知，QSDC能够在远距离通信方之间直接传输秘密信息而无需首先建立随机密钥。尽管QSDC已经得到相当的发展，大多数QSDC方法[9-20]仅仅实现单向通信，即它们不能在不同通信方之间实现秘密比特的相互交换。在2004年，当他们独立提出量子对话(Quantumdialogue，QD)这一新概念时，Zhang等[21-22]和Nguyen[23]成功地弥补了这个缺陷。然而，那些早期的QD方法[21-33]总是具有信息泄露问题。这一问题是被Gao等[34-35]在2008年首次发现，产生于“经典相关”的存在[36]。这已经成为一个共识：解决QD的信息泄露问题的关键在于在所有通信方之间秘密共享初始量子态，如直接传输辅助量子态[37-40]、Bell态的相关提取性质[41]、两个Bell态纠缠交换后的测量相关性[42]以及量子加密共享[43]。随着量子密码的发展，信道加密(量子加密)量子密码[44-51]这一特殊概念也被提出来。在信道加密量子密码中，不同通信方总是首先共享一个量子态序列作为他们可重复使用的量子私钥，然后利用它来对携带经典秘密比特的传输量子态进行加密和解密。量子加密思想已经被作者引入到QD中用于在通信双方间秘密共享初始量子态。[43]在一个实际的传输过程中，由于光纤双折射的波动能改变光子的偏振状态，信道噪声不可避免。目前，许多量子密码方法仅仅适用于一个理想信道，如文献[21-33，37-43]中的那些QD方法。显然，怎样使量子密码方法能在一个噪声信道运作良好具有重要的意义。目前已经涌现出几种消除噪声影响的方法，如纠缠纯化[52]、量子纠错码(Quantumerrorcorrectcode，QECC)[53]、单光子错误拒绝(Single-photonerrorrejection，SPER)[54]以及无消相干(Decoherence-free，DF)态[55-64]。前三个策略的缺陷是它们只能在如下假设下才有效：光子与环境之间的反应足够弱，而且光子以很低的概率被干扰。幸运地是，信道噪声可被建模为集体噪声，即如果几个光子同时在一个噪声信道传输或者它们空间上足够近，那么噪声对每个光子的改变是相同的。[59-60]因为DF态不受集体噪声影响，它们经常被用于抵抗这种噪声。本专利技术提出一个抗集体退相位噪声的错误容忍信道加密QD方法。每个由两物理量子比特构成的DF态被用于抵抗集体退相位噪声。量子私钥能在集体退相位噪声信道被通信双方安全共享。通过利用量子私钥进行加密和解密，每个传输的两粒子逻辑量子比特的初态可被通信双方秘密地共享。然后，通信双方的秘密信息通过复合酉操作被编码在传输的两粒子逻辑量子比特上。由于量子加密共享每个传输的两粒子逻辑量子比特的初态，信息泄露问题被克服。只要旋转角度选择恰当，在旋转后量子私钥可被重复利用，从而节省了量子资源。这样，本专利技术方法的信息论效率几乎达到66.7％，远高于之前的抗噪声无信息泄露QD方法。在整个对话过程，除了安全检测外，本专利技术方法仅需要单粒子测量，所以它的量子测量在实际中便于执行。安全性分析表明，在对话过程中，一个窃听者不能得到关于秘密信息的任何有用信息而不被发现。参考文献[1]BennettCH，BrassardG，ProceedingsoftheIEEEInternationalConferenceonComputers，SystemsandSignalProcessing，Bangalore：IEEEPress，(1984)175[2]BennettCH，BrassardG，MerminND，PhysRevLett，68(1992)557[3]CabellA，PhysRevLett，85(2000)5635[4]BeigeA，EnglertBG，KurtsieferC，etal.，ActaPhysPolA，101(2002)357[5]LiCY，LiXH，DengFG，ZhouHY，ChinPhysB，7(2008)2352[6]HilleryM，BuzekV，BerthiaumeA，PhysRevA，59(1999)1829[7]KarlssonA，KoashiM，ImotoN，PhysRevA，59(1999)162[8]HsuLY，PhysRevA，68(2003)022306[9]LongGL，LiuXS，PhysRevA，65(2002)032302[10]BostromK，FelbingerT，PhysRevLett，89(2002)187902[11]DengFG，LongGL，LiuXS，PhysRevA，68(2003)042317[12]CaiQY，LiBW，PhysRevA，69(2004)054301[13]DengFG，LongGL，PhysRevA，69(2004)052319[14]WangC，DengFG，LiYS，LiuXS，LongGL，PhysRevA，71(2005)44305[15]WangC，DengFG，LongGL，OptCommun，253(2005)15[16]ChenXB，WenQY，GuoFZ，SunY，XuG，ZhuFC，IntJQuantInform，6(2008)899[17]GuB，HuangYG，FangX，ZhangCY，ChinPhysB，20(2011)100309[18]LiuD，ChenJL，JiangW，IntJTheorPhys，51(2012)2923[19]TsaiCW，HwangT，SciChinaSerG-PhysMechAstron，56(2013)l908[20]RenBC，WeiHR，HuaM，LiT，DengFG，EurPhysJD，67(2013)30[21]ZhangZJ，ManZX，http：//arxiv.org/pdf/quant-ph/0403215.pdf(2004)[22]ZhangZJ，ManZX，http：//arxiv.org/pdf/quant-ph/0403217.pdf(2004)[23]NguyenBA，PhysLettA，328(2004)6[24]ManZX，ZhangZJ，LiY，ChinPhysLett，22(2005)22[25]JinXR，JiX，ZhangYQ，ZhangS，etal.，PhysLettA，354(2006)67[26]Man本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种抗集体退相位噪声的错误容忍信道加密量子对话协议，利用每个由两物理量子比特构成的无消相干态抵抗集体退相位噪声；可使通信双方在集体退相位噪声信道共享量子私钥；通过利用共享的量子私钥进行加解密使每个传输的两粒子逻辑量子比特的初态被通信双方秘密共享；通过复合酉操作将通信双方的秘密信息编码在传输的两粒子逻辑量子比特；通过量子加密共享传输的两粒子逻辑量子比特的初态克服信息泄露问题；通过选择恰当的旋转角度使量子私钥可被重复利用以节省量子资源；其信息论效率几乎达到66.7％，远高于之前的抗噪声无信息泄露量子对话协议；在除安全检测外的整个对话过程仅需单粒子测量；共包括以下五个过程：S1)量子私钥共享：Alice和Bob利用以下方法在一个集体退相位噪声信道上共享N个EPR对|φ+>AB=12(|0>A|0>B+|1>A|1>B)]]>作为他们的量子私钥：①Alice制备N+δ1个纠缠态|Θdp+>AC=12(|0>|0>dp+|1>|1>dp)AC]]>=12(|0>A|01>C1C2+|1>A|10>C1C2)=12[|+>A(|++>-|-->)C1C2+]]>|->A(|-+>-|+->)C1C2];]]>她将这些纠缠态分成两个粒子序列，SA和SC，其中SA由所有的粒子A组成，SC由所有的逻辑量子比特C组成；然后，她自己保留SA并将SC发送给Bob；②在Bob宣布收到SC后，他们一起执行安全检测程序；Bob从SC随机挑选出δ1个逻辑量子比特并随机使用和两个基中的一个来测量每个样本逻辑量子比特，其中和然后，他告诉Alice这些样本逻辑量子比特的位置和测量基；Alice利用恰当的测量基测量SA中相应的样本粒子A；也就是说，如果Bob利用基来测量SC中的一个样本逻辑量子比特C，Alice将选择基σz(σx)来测量SA中相应的样本粒子A；在Alice公布她的测量结果后，一个窃听者的存在可被Bob通过他们相应测量结果之间的确定相关性判断出；只要传输安全性能够得到保证，他们就能成功共享剩余的N个纠缠态③对于每个剩余的N个纠缠态Bob以粒子C1为控制量子比特、C2为目标量子比特对C1和C2施加一个控制非(Controlled‑NOT，CNOT)操作；这样，整个量子系统将由改变为直到这里，Alice和Bob已经成功共享N个EPR对|φ+>AC1=12(|0>A|0>C1+|1>A|1>C1);]]>不失一般性，中的下标C1可被B替代；S2)Alice的加密：Alice制备一个由N个传输量子态构成的序列，其中mi＝0或1(i＝1，2，…，N)，这个序列被称为SM；为确保传输安全性，Alice采用诱骗态技术；即，她制备一些随机处于四个态之一的诱骗态，并将它们随机插入SM；这样，SM转变为S′M；Alice利用量子私钥来加密S′M中除诱骗态外的传输量子态；即，Alice以粒子Ai为控制量子比特、为目标量子比特对Ai和|mi>dp(i=1,2,...,N)]]>施加一个控制操作，其中CU1dp=|0><0|⊗U0dp+|1><1|⊗U1dp;]]>然后，Alice将S′M发送给Bob，并且当Bob宣布已经收到后告诉BobS′M中诱骗态的位置和制备基；然后，在利用Alice告诉的制备基测量诱骗态后，Bob告诉Alice他的测量结果；一个窃听者的存在可被Alice通过诱骗态的初态和Bob关于它们的测量结果之间的一致性判断出；如果不存在窃听者，他们继续执行下一步骤，否则，他们重新开始；S3)Bob的解密和编码：Bob丢弃S′M中的诱骗态得到SM；然后，Bob解密出SM中的传输量子态；即，Bob以粒子Bi为控制量子比特、|mi>dp为目标量子比特对粒子Bi和|mi>dp(i＝1，2，…，N)施加一个操作；Bob利用基测量传输量子态|mi>dp以知道它的初态；根据他的测量结果，Bob重新制备一个新的没有测量过的传输量子态|mi>dp；为了编码他的1比特秘密信息ki，Bob对新的|mi>dp施加复合酉操作从而得到为了确保传输安全性，Bob也制备一些随机处于四个态之一的诱骗态，并将它们随机插入SM中；这样，SM转变为S″M；然后，Bob将S″M发送给Alice；在Alice宣布接收到S″M后，他们执行与步骤S2中一样的安全检测程序；如果S″M的传输安全性能够得到保证，他们继续下一步骤；S4)Alice的编码和双向通信：Alice丢弃S″M中的诱骗态得到SM；为了编码她的1比特秘密信息ji，Alice对SM中的施加复合酉操作相应地，转变为然后，Alice利用基测量为了双向通信，Alice公开宣布的测量结果；根据她自己的复合酉操作和的测量结果，Alice能够读出...

【技术特征摘要】
1.一种抗集体退相位噪声的错误容忍信道加密量子对话方法，利用每个由两物理量子比特构成的无消相干态抵抗集体退相位噪声；可使通信双方在集体退相位噪声信道共享量子私钥；通过利用共享的量子私钥进行加解密使每个传输的两粒子逻辑量子比特的初态被通信双方秘密共享；通过复合酉操作将通信双方的秘密信息编码在传输的两粒子逻辑量子比特；在除安全检测外的整个对话过程仅需单粒子测量；共包括以下五个过程：S1)量子私钥共享：Alice和Bob利用以下方法在一个集体退相位噪声信道上共享N个EPR对作为他们的量子私钥：①Alice制备N+δ1个纠缠态她将这些纠缠态分成两个粒子序列，SA和SC，其中SA由所有的粒子A组成，SC由所有的逻辑量子比特C组成；然后，她自己保留SA并将SC发送给Bob；②在Bob宣布收到SC后，他们一起执行安全检测程序；Bob从SC随机挑选出δ1个逻辑量子比特并随机使用和两个基中的一个来测量每个样本逻辑量子比特，其中σz＝{|0>，|1>}和σx＝{|+>，|->}；然后，他告诉Alice这些样本逻辑量子比特的位置和测量基；Alice利用恰当的测量基测量SA中相应的样本粒子A；也就是说，如果Bob利用基来测量SC中的一个样本逻辑量子比特C，Alice将选择基σz(σx)来测量SA中相应的样本粒子A；在Alice公布她的测量结果后，一个窃听者的存在可被Bob通过他们相应测量结果之间的确定相关性判断出；只要传输安全性能够得到保证，他们就能成功共享剩余的N个纠缠态③对于每个剩余的N个纠缠态Bob以粒子C1为控制量子比特、C2为目标量子比特对C1和C2施加一个控制非(Controlled-NOT，CNOT)操作；这样，整个量子系统将由改变为直到这里，Alice和Bob已经成功共享N个EPR对不失一般性，中的下标C1可被B替代；S2)Alice的加密：Alice制备一个由N个传输量子态{|m1>dp，|m2>dp，…，|mN>dp}构成的序列，这个序列被称为SM，其中mi＝0或1，i＝1，2，…，N；为确保传输安全性，Alice采用诱骗态技术；即，她制备一些随机处于四个态{|0>dp，|1>dp，|+>dp，|->dp}之一的诱骗态，并将它们随机插入SM；这样，SM转变为S′M；Alice利用量子私钥|φ+>AB来加密S′M中除诱骗态外的传输量子态；即，Alice以粒子Ai为控制量子比特、|mi>dp为目标量子比特对Ai和|mi>dp施加一个控制(即)操作，其中I＝|0>&...

【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