一种基于Omega态和超密编码的量子安全直接通信方法技术

一种基于Omega态和超密编码的量子安全直接通信方法的QSDC协议。分配秘钥是密码学中的一个非常重要的研究课题，与传统的基于数学困难问题的加密算法不同，量子安全传输协议基于物理学，可被证明是理论安全的，原有的QSDC协议，将纠缠粒子分成两个序列，检查序列用来检测入侵行为，消息编码序列用来传送密文，然而这种入侵检测的方式效率较差，为了提高入侵检测的效率，提出了基于Omega态的QSDC协议。发送方使用Bell态的粒子形成消息qubits序列，用于传出安全信息，并将检查序列C插入到qubits序列，并记录其位置，得到序列数据块T，接收方从T中抽取检查序列C，和量子位序列A，并对校验序列C进行Omega测量，通过将测量值与阈值相比，判断当前的环境是否安全。

【技术实现步骤摘要】
一种基于Omega态和超密编码的量子安全直接通信方法
本专利技术涉及一种基于Omega态的量子安全直接通信方法，通过使用信息熵的度量，理论上可以提高被入侵检测的效率。
技术介绍
如何分配秘钥是密码学中一个非常重要的研究课题，唯一被证明理论安全的秘钥传输协议是OTP(onetimepad)，然而OTP需要传送一个与密文等长的密钥，并且该密钥无法复用，使其难以应用，今天被广泛使用的秘钥分发方法都是基于数学困难问题，通过计算上的复杂度，使得入侵者无法在有限的时间内破解秘钥，然而这种方法的安全性未被理论上证明，在1994年，Shor提出了量子拉斯维加斯算法，证明了传统的加密算法在未来将会被破解，与传统的基于数学困难问题的加密算法不同，量子安全传输协议基于物理学，所以量子安全传输可以被证明是安全的，量子通信和量子加密通常指的是量子秘钥分发(QKD)，量子隐形传态(QT)，量子密码共享(QSS)，量子安全通信(QSDC)等。BB84协议是第一个提出的QKD协议，该协议指出量子位可以替代通信中的传统比特位。BB84协议及其改进型协议仍然被广泛使用在量子通信中。与QKD协议相比，QSDC协议无法接受更多的量子信息的损耗，即QSDC需要更加安全的环境。在2002年，提出的基于Einstein-Podolsky-Rosen(EPR)对的QSDC协议，使用量子信息块取代量子信息比特，使得QSDC在理论上易于使用。在发送安全消息之前，通信方之一可以借助量子数据块来保证量子通信信道的安全性。窃听将导致数据块中的位错误。基于同样的想法，也可以将纠缠粒子分成两个序列：检查序列用来检测入侵行为，消息编码序列用来传送密文。然而这种入侵检测的方式效率较差，为了提高入侵检测的效率，我们提出了基于量子Omega态的QSDC协议，提高了原有的协议的检测效率。
技术实现思路
为了提高入侵检测效率，使用基于Omega态的QSDC协议，为了简化我们的表述，在本文中将原有的QSDC协议称之为OPP(OriginalPresentProtocol)协议，将基于Omega态的QSDC协议称为SPP(SecondPresentProtocol)协议，在SPP协议中，Alice发送传统的比特信息给Bob，Bob使用每一个Bell状态的一个粒子形成消息qubits序列A，用于传出安全信息，然后Bob随机将检查序列C插入序列A，并记录他们的位置，由此得到序列数据块T并发送给Alice，Alice在接收后对Bob进行确认，Bob告知AliceC的位置，Alice从T中提取校验量子位，并由此得到量子位序列A和校验序列C，Alice对校验序列C进行Omega测量，如果未被窃听，则测量结果应为|Ω>，Eve的窃听将导致误码率(ber)，如果ber大于某个阈值，则认为当前环境不安全，Alice和Bob会中断这个通信并重新启动，否则二者将继续沟通。附图说明为了更清楚地说明本专利技术基于Omega态的量子安全直接通信方法的安全性证明过程，下面将对方法中所需要使用的附图做简单地介绍。对于本领域的研究人员来讲，通过这些附图在不付出创造性研究的前提下，能够根据方案具体步骤及证明流程获得到其他的附图。图1.理论值和实验值均方误差示意图具体实施方式1.接收者与发送者的通信协议过程如下：四种Bell态为：文中提到的Omega态为：其中B1>∈{|Ψ±>,|Φ±>}，故有16种Omega态可由Bell态产生，在本文中我们假设|B0>＝|Φ+>，|B0>＝|Φ->。我们可以使用|Ω>来增强入侵检测的效率。假设四个酉操作{U0,U1,U2,U3}对贝尔态其中一个粒子进行操作后，使得贝尔态|Φ+>转化为|Φ+>,|Ψ+>,|Ψ->,|Φ->。那么可以将四个酉操作分别约定为00,01,11,10。Bob通过分析发送和接收是对应位置的Bell态的变化，从而分析出Alice采用了何种类型的酉操作，从而Alice和Bob通过传输一个qubit完成了传输两个经典比特，这个原理就是超密编码。接收方Bob和发送方Alice为合法通信双方，Eve为窃听者。整个方案的通信过程如下：第1步：假设Alice希望发送传统的N(bit)信息给Bob，Bob准备了充足的Bell态作为信息序列并记录相应的Bell态信息，和充足的|Ω>作为检测序列C，假设协议进行过程中切换到控制模式(或者叫检测序列)的概率为c，Bob需要准备cN/(1-c)|Ω>个态和N/2个Bell态。第2步：与OPP一样，Bob使用每个Bell状态的第一个粒子来形成消息qubits序列A，用于传输安全消息。然后Bob随机地将检查序列C插入序列A并存储它们的位置，现在Bob得到了其最终的传输序列数据块T，T的长度大小为N/2+4cN/(1-c)。第3步：Bob向Alice发送T，Alice在接收到发送序列T之后通过公共信道对Bob进行确认。然后Bob告诉AliceC的位置，Alice从T中提取校验量子位，得到消息量子位序列A和校验序列C。第4步：Alice对检查序列C进行Omega测量，如果理想环境中没有窃听，测量结果应该总是|Ω>，EVE的窃听将导致误码率ber(biterrorrate)。如果ber大于某个阈值，Alice和Bob认为量子通信不安全，他们会中断这个通信并重新启动，如果误码率小于阈值，Alice和Bob认为信道是安全的。他们将继续沟通。第5步：Alice和Bob已经用这个数据块T中的检测序列C确认了量子信道的安全性，接下来将采用消息序列A来传输信息。Alice将需要发送的信息选择对应的酉操作，例如Alice想发送00，那么她将选择U0来操作序列。进行所有的操作后Alice将序列A和自己重新生成|Ω>态按照步骤2重新发送回Bob。Bob收到Alice传送的序列后，按照步骤4与自己的保留粒子进行Bell态测量，通过保留的发送结果和接收的测量结果进行比较，从而得到Alice进行的是哪个酉操作，从而获取Alice传输过来的经典比特信息。第6步：Alice和Bob成功的传送了N(bit)传统bit信息，他们将重复步骤1到步骤6直到信息传输完毕。第7步：SPP协议结束。2.SPP效率大于OPP证明过程我们使用信息论来证明SPP的安全性。假设d表示Eve进行了入侵的概率，则Eve在OPP中可得到的最大的信息量为I(dopp)＝-(dlog2(d)+(1-d)log2(1-d))Eve不知道序列C的位置，所以Eve需要在每一个qubits实施入侵，我们可以假设，Eve所观测到的qubits是|1>或者|0>，二者的概率都是1/2，则入侵的效率为其中|α|2+|β|2＝1，|m|2+|n|2＝1，参数α,β,m,n由Eve决定，为规范化因子。在这个矩阵中，|1>或者|0>将会变为混合态，|E|0>>＝E|0>＝α|0>+β|1>|E|1>>＝E|1>＝m|0>+n|1>假设|Ω(0)>E＝|0000>，在Eve入侵之后，|Ω(0)>将会变成一种混合本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于Omega态和超密编码的量子安全直接通信协议。为了提高入侵检测的效率，提出了基于Omega态的QSDC协议。发送方使用Bell态的粒子形成消息qubits序列，用于传出安全信息，并将检查序列C插入到qubits序列，并记录其位置，得到序列数据块T，接收方从T中抽取检查序列C，和量子位序列A，并对校验序列C进行Omega测量，通过将测量值与阈值相比，判断当前的环境是否安全。其特征是：信息接收方对校验位进行Omega测量，并将测量结果和阈值相对比，以判断当前的通信环境是否安全。

【技术特征摘要】
1.基于Omega态和超密编码的量子安全直接通信协议。为了提高入侵检测的效率，提出了基于Omega态的QSDC协议。发送方使用Bell态的粒子形成消息qubits序列，用于传出安全信息，并将检查序列C插入到qubits序列，并记录其位置，得到...

【专利技术属性】
技术研发人员：黎雷蕾，景春臻，李恒吉，李朝阳，王娜，李剑，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：北京,11