基于单光子的不要求经典通信者具备测量能力的半量子对话方法技术

本发明专利技术提出一种基于单光子的不要求经典通信者具备测量能力的半量子对话方法，实现一个量子通信者和一个经典通信者之间的双向通信。针对外在Eve的主动攻击的安全性是由经典通信者的置乱操作、现有半量子密钥分配方法的完全鲁棒性以及经典一次一密加密来保证。量子通信者对每两个相邻信息单光子的经典基测量使得她与经典通信者共享它们的初态，从而使本发明专利技术的方法能够克服信息泄露问题。本发明专利技术的方法相比于传统无信息泄露量子对话方法的优势在于它只要求一个通信者具备量子能力。与现有半量子对话方法相比，本发明专利技术方法的优势在于采用单光子而非两光子纠缠态作为量子载体。本发明专利技术的方法目前具有良好的实际可执行性。

A semi quantum dialogue method based on single photon that does not require a classical communicator to have measurement ability

The invention proposes a semi quantum dialogue based on single photon without requiring classical communicator to measure ability, and realizes two-way communication between a quantum communicator and a classical communicator. The security of external attack on Eve is guaranteed by the scrambling operation of classical communicators, the complete robustness of the existing half quantum key distribution method and the classic one time one encryption. Quantum communication of classical measurement base on each of the two adjacent single photon information so that she shared their original and classical communication, so that the method of the invention can overcome the problem of information leakage. The advantage of this method is that it requires only one communicator to have quantum ability compared to the traditional non information disclosure quantum dialogue method. Compared with the existing semi quantum dialogue method, the advantage of this method is to use a single photon instead of two photon entangled state as a quantum carrier. The method of the invention has good practical executability at present.

【技术实现步骤摘要】
基于单光子的不要求经典通信者具备测量能力的半量子对话方法
本专利技术涉及量子密码学领域。本专利技术设计一种基于单光子的不要求经典通信者具备测量能力的半量子对话方法，实现一个量子通信者和一个经典通信者之间的双向通信。
技术介绍
量子密码，诞生于Bennett和Brassard在1984年提出的具有前瞻性的量子密钥分配(Quantumkeydistribution，QKD)方法[1]，利用量子力学的性质而非数学问题的计算复杂性来达到无条件安全。量子密码已经吸引了许多注意力并确立许多有趣的分支，如QKD[1-5]、量子安全直接通信(Quantumsecuredirectcommunication，QSDC)[6-13]、量子秘密共享(Quantumsecretsharing，QSS)[14-18]等。QKD致力于利用量子信号的传送在两个远距离通信者之间建立一个随机密钥序列，而QSDC聚焦于将一个秘密消息从一个通信者直接传送到另一个通信者而无需事先建立一个随机密钥序列。在2004年，为了实现来自两个通信者的秘密消息的相互交换，Zhang和Man[19-20]以及Nguyen[21]分别独立提出量子对话(Quantumdialogue，QD)这一新概念。QD极大地激发起研究者们的兴趣。然而，早期的QD方法[19-27]总存在信息泄露问题，意味着任何其他人无需发起任何主动攻击就能轻易地提取到关于两个通信者秘密消息的一些有用信息。QD的信息泄露问题是被Gao等[28]以及Tan和Cai[29]在2008年分别独立发现。随后，研究者们迅速转向研究如何解决QD的信息泄露问题。到目前为止，许多优秀的方法已经被提出来，如辅助量子态的直接传送[30-37]、Bell态的提取相关性[38]、控制非操作和辅助单光子[39]、量子纠缠态纠缠交换产生的测量相关性[40-41]、量子纠缠态纠缠交换结果集合编码[34-36]、量子加密共享[42-43]、辅助量子操作[44]以及量子纠缠态的测量相关性[45]。在2007年，利用著名的BB84方法[1]，Boyer等[46]提出首个半量子密码方法(即BKM2007方法)，只允许一个通信者具备量子能力。在BKM2007方法中，接收者Bob被受限于在量子信道执行以下操作：(a)发送或不带干扰地返回量子比特；(b)用固定的正交基{|0>,|1>}测量量子比特；(c)制备(新的)量子比特处于固定的正交基{|0>,|1>}。在2009年，Boyer等[47]利用单光子构建了一个基于置乱的半量子密钥分配(Semi-quantumkeydistribution，SQKD)方法，其中接收者Bob被受限于执行(a)、(b)和(d)(利用不同延迟线)重新排序量子比特。根据文献[46-47]方法的定义，正交基{|0>,|1>}可被视为经典基并用经典记号{0,1}代替，因为它只涉及量子比特|0>和|1>而非任何量子叠加态。而且，接收者Bob被受限于执行以上(a)、(b)、(c)和(d)四种操作，可被视为经典的。显然，不同于传统量子密码要求所有通信者都具备量子能力，半量子密码允许部分通信者具备经典能力而非量子能力以致于她们不需要涉及量子叠加态的制备和测量。因此，半量子密码有利于部分通信者减轻量子态制备和测量的负担。自从“半量子”的概念首次被Boyer等[46]提出，研究者们对它显示出极大的热情并尝试将它应用到不同的量子密码任务，如QKD、QSDC和QSS。这样，许多半量子密码方法，如SQKD方法[46-63]、半量子安全直接通信(Semi-quantumsecuredirectcommunication，SQSDC)方法[50,64]、半量子秘密共享(Semi-quantumsecretsharing，SQSS)方法[65-69]、半量子隐私比较(Semi-quantumprivatecomparison，SQPC)方法[70-71]、半量子密钥协商(Semi-quantumkeyagreement，SQKA)方法[72-73]、受控确定性安全半量子通信(Controlleddeterministicsecuresemi-quantumcommunication，CDSSQC)方法[73]、半量子对话(Semi-quantumdialogue，SQD)方法[73]等，被设计出来。容易发现，以上所有QD方法[19-27,30-45]要求两个通信者都具备量子能力。然而，这一要求可能是不切实际的，因为并不是两个通信者都能负担得起昂贵的量子资源和操作。如果只有一个通信者具备量子能力，那么对话能否成功进行？文献[73]利用Bell纠缠态提出的首个SQD方法给了这个问题一个肯定的回答。基于以上分析，本专利技术致力于利用单光子作为量子载体提出一种不要求经典通信者具备测量能力的SQD方法，实现一个量子通信者和一个经典通信者之间的双向通信。本专利技术方法相比于传统无信息泄露QD方法的优势在于它只要求一个通信者具备量子能力。与现有的SQD方法相比，本专利技术方法的优势在于它仅采用单光子而非两光子纠缠态作为量子载体。参考文献[1]BennettCH,BrassardG.Quantumcryptography:public-keydistributionandcointossing.In:ProceedingsoftheIEEEInternationalConferenceonComputers,SystemsandSignalProcessing.Bangalore:IEEEPress,1984,175-179[2]EkertAK.QuantumcryptographybasedonBell'stheorem.PhysRevLett,1991,67(6):661-663[3]BennettCH,BrassardG,MerminND.QuantumcryptographywithoutBelltheorem.PhysRevLett,1992,68:557-559[4]CabelloA.QuantumkeydistributionintheHolevolimit.PhysRevLett,2000,85:5635[5]ZhangCM,SongXT,TreeviriyanupabP,etal..Delayederrorverificationinquantumkeydistribution.ChinSciBull,2014,59(23):2825-2828[6]LongGL,LiuXS.Theoreticallyefficienthigh-capacityquantum-key-distributionscheme.PhysRevA,2002,65:032302[7]DengFG,LongGL,LiuXS.Two-stepquantumdirectcommunicationprotocolusingtheEinstein-Podolsky-Rosenpairblock.PhysRevA,2003,68:042317[8]DengFG,L本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于单光子的不要求经典通信者具备测量能力的半量子对话方法，可实现一个量子通信者和一个经典通信者之间的双向通信；针对外在Eve的主动攻击的安全性是由经典通信者的置乱操作、现有半量子密钥分配方法的完全鲁棒性以及经典一次一密加密来保证；量子通信者对每两个相邻信息单光子的经典基测量使得她与经典通信者共享它们的初态，从而克服信息泄露问题；共包括以下七个过程：S1)量子Alice制备N个随机处于四个量子态{|0〉,|1>,|+>,|‑>}之一的单光子并将它们通过块传输的方式传送给经典Bob；其中

【技术特征摘要】
1.一种基于单光子的不要求经典通信者具备测量能力的半量子对话方法，可实现一个量子通信者和一个经典通信者之间的双向通信；针对外在Eve的主动攻击的安全性是由经典通信者的置乱操作、现有半量子密钥分配方法的完全鲁棒性以及经典一次一密加密来保证；量子通信者对每两个相邻信息单光子的经典基测量使得她与经典通信者共享它们的初态，从而克服信息泄露问题；共包括以下七个过程：S1)量子Alice制备N个随机处于四个量子态{|0〉,|1>,|+>,|->}之一的单光子并将它们通过块传输的方式传送给经典Bob；其中和S2)为了编码他自己的秘密消息，Bob制备2N个信息单光子处于Z基(即正交基{|0>,|1>})：如果他的秘密经典比特是0，他制备两个相邻的信息单光子处于相同的状态；如果他的秘密经典比特是1，他制备两个相邻的信息单光子处于相反的状态；而且，Bob制备M+2N(M≥N)个样本单光子随机处于Z基；Bob选出2N个样本单光子，利用它们与2N个信息单光子一起构成一个量子比特序列在收到来自Alice的N个单光子后，Bob利用它们与剩余的M个样本单光子一起构成一个量子比特序列|φ>；然后，Bob随机从量子比特序列|φ>中选出2N个单光子|ψ>；最后，Bob将和|ψ>中的单光子一起重新排序并通过块传输的方式发送给Alice；为方便起见，在|ψ>中，称来自Alice的单光子为CTRL单光子，Bob制备的单光子为SIFT单光子；S3)Bob公布属于|ψ>的单光子的位置；Alice随机用Z基或X基(即正交基{|+>,|->})测量|ψ>中的每个单光子；S4)Bob公布|ψ>中单光子的顺序；与此同时，Alice公布|ψ>中她用Z基测量的位置；Z-SIFT比特代表Alice用Z基测量ST...

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