基于单光子超密编码的量子密钥分配方法组成比例

本发明专利技术公开了一种基于单光子超密编码的量子密钥分配方法，包括A方制备随机处于R基态的光子态，进行偏转操作后发送给B，B方再次进行偏转操作后返回给A，A将测量得到的量子态与原制备的量子态进行比对，并比对结果发送给B，A判断所用测量基是否正确，如果正确，并进行标记，然后将标记的位置信息发送给B，对于错误的位置信息丢弃，最后A和B根据自己的信息和接收的信息生成共享比特串。本发明专利技术与纠缠态QDKD协议相比，无需复杂量子资源和设备，更经济可行。

【技术实现步骤摘要】
基于单光子超密编码的量子密钥分配方法
本专利技术是一种基于单光子超密编码的量子密钥分配方法，属于量子保密通信

技术介绍
随着量子力学理论在信息处理领域的应用，量子保密通信被用来完成许多有趣的任务，如量子密钥分配(quantumkeydistribution,QKD)，量子秘密共享(quantumsecretsharing,QSS)，量子密钥协商(quantumkeyagreement,QKA)等。其中QKD为最基本和最重要的研究方向，用于在两个合法用户之间生成私钥，两个用户借助私钥可以安全地传达他们的秘密消息。通常，这些QKD协议可以分为两类：基于单光子的QKD协议，如BB84和E92等；另一种为基于纠缠态的QKD协议。在上述两个类别中，单光子QKD协议实验上简单可行但效率较低；纠缠态QKD协议效率较高，但需要更复杂的量子资源和设备。QKD协议除了保证安全性之外，还需要考虑密钥分配效率。2004年，Degiovanni等人提出了一种融合了量子超密编码和量子密钥分配的新协议，称为量子超密密钥分配(quantumdensekeydistribution，QDKD)协议，该协议通过纠缠对(即Bell态)上的操作来嵌入密钥信息，比BB84协议具有更好的密钥生成率。Degiovanni等人提出的QDKD协议已经被证明是能够检测到任何单独的窃听攻击，具有安全性。这种QDKD协议的思想应用广泛，其他学者成功地把这种思想运用在不同的纠缠态QKD协议上。例如，在2011年，Hwang等人通过利用三量子比特W状态的密集编码提出了QKD协议。在2013年，刘志昊等人提出一种在簇状态上进行密集编码的量子同时秘密分配协议。但这些协议都是基于纠缠态QKD协议，所以存在需要复杂的量子资源和设备的问题。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是克服纠缠态QKD需要复杂量子资源和设备等缺陷，提出一种经济可行的基于单光子超密编码的量子密钥分配方法。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种基于单光子超密编码的量子密钥分配方法，包括以下步骤：1)A制备单光子态|Ψ>，|Ψ>随机处于R基态；然后，A以一定的概率对光子态进行偏转操作，并发送给B；2)B接收A发送的光子以不同概率处于R基态或者D基态；然后，B以一定的概率对光子态进行偏转操作，再返回给A；3)A接收B发送的光子以不同概率处于R基态或者D基态；然后A通过测量，得到光子态|Ψ'>；4)A将|Ψ'>与|Ψ>进行比对，再通过经典信道向B发送比对结果信息；5)B利用经典信道向A告知其在所述步骤2)的偏转操作信息；6)A根据接收的信息来判断所用测量基是否正确，如果正确，则标记为Y，否则标记为N，然后将标记为Y或者N的位置信息发送给B；7)B根据A所发送的位置信息，将所有标记为N的信息丢弃；8)A和B根据自己的信息和接收的信息生成共享比特串。前述的R基态为|0>或|1>，所述D基态为或前述的步骤1)和步骤2)中，以一定的概率对光子态进行偏转操作是指，以(1-P)/2的概率使用U00对光子态进行偏转操作，或者以P/2的概率使用U01对光子态进行偏转操作，或者以(1-P)/2的概率使用U10对光子态进行偏转操作，或者以P/2的概率使用U11对光子态进行偏转操作，其中，U00、U01、U10、U11分别为偏转0°、45°、90°、135°，前述的步骤3)中，A以(1-P)概率使用R基，或者以P概率使用D基来测量光子。前述的步骤4)中，A发送的结果信息为：如果|Ψ'>-|Ψ>＝|0>，则发送“00”；如果|Ψ'>-|Ψ>＝|+>，发送“01”；如果|Ψ'>-|Ψ>＝|1>，发送“10”；如果|Ψ'>-|Ψ>＝|->，发送“11”。前述的步骤5)中，如果B在所述步骤2)中，对光子态偏转0°或90°，则发送“0”；如果偏转45°或135°，则发送“1”。本专利技术与现有方案相比，具有以下优点：1、本专利技术与单光子QKD协议相比具有高编码容量，每个相关光子可以携带两位有用信息。2、本专利技术与纠缠态QDKD协议相比，无需复杂量子资源和设备，更经济可行。附图说明图1为本专利技术基于单光子超密编码的量子密钥分配方法的过程图。图2为本专利技术基于单光子超密编码的量子密钥分配示例。具体实施方式下面对本专利技术作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本专利技术的技术方案，而不能以此来限制本专利技术的保护范围。如图1所示，基于单光子超密编码的量子密钥分配过程分为四列，每一列都标明了主体，光子态以及进行的操作。本专利技术的基于单光子超密编码的量子密钥分配方法，包括以下步骤：1)如第一列所示，用户Alice制备单光子态|Ψ>，|Ψ>随机处于|0>或|1>即R基态。在实际操作过程中，通过多次执行本专利技术方法，实现满足所需共享的比特串的长度。然后，Alice以(1-P)/2的概率使用U00对|Ψ>进行偏转操作，或者以P/2的概率使用U01对|Ψ>进行偏转操作，或者以(1-P)/2的概率使用U10对|Ψ>进行偏转操作，或者以P/2的概率使用U11对|Ψ>进行偏转操作，并发送给用户Bob。U00、U01、U10、U11分别为偏转0度、45度、90度、135度，其中，2)如第二列所示，Bob接收的光子以不同概率处于R基态{|0>，|1>}，或者D基态如对R基态进行U00或U10偏转操作，得到R基态，对R基态进行U01或U11偏转操作，得到D基态。然后Bob分别以(1-P)/2，P/2，(1-P)/2，的概率使用U00、U01、U10、U11对光子进行偏转操作，然后将其返回Alice。3)如第三列所示，Alice接收的光子以不同概率处于R基态和D基态。如对R基态进行U00或U10偏转操作，得到R基态，对R基态进行U01或U11偏转操作，得到D基态，对D基态进行U00或U10偏转操作，得到D基态，对D基态进行U01或U11偏转操作，得到R基态。然后Alice以(1-P)概率使用R基，或者以P概率使用D基来测量光子，得到状态|Ψ'>。然后，Alice通过经典信道向Bob发送结果信息，如果|Ψ'>-|Ψ>＝|0>，则发送“00”；如果|Ψ'>-|Ψ>＝|+>，发送“01”；如果|Ψ'>-|Ψ>＝|1>，发送“10”；如果|Ψ'>-|Ψ>＝|->，发送“11”。4)Bob利用经典信道向Alice告知操作信息，如果Bob在步骤2)中，对光子偏转0°或90°，则发送“0”；如果偏转45°或135°，则发送“1”。5)Alice根据接收的信息来判断所用测量基是否正确，如果正确，则标记为Y，否则标记为N，然后将标记为Y和N的位置信息发送给Bob。位置即比特序列位置。6)Bob根据Alice所发送的位置信息，将所有标记为N的信息丢弃。7)Alice和Bob根据自己的信息和接收的信息生成共享比特串，共享比特串由Alice和Bob所执行的偏转操作生成。以8位量子比特为例，量子比特位数应为所产生的共享比特串满足所需长度即可本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于单光子超密编码的量子密钥分配方法，其特征在于，包括以下步骤：1)A制备单光子态|Ψ>，|Ψ>随机处于R基态；然后，A以一定的概率对光子态进行偏转操作，并发送给B；2)B接收A发送的光子以不同概率处于R基态或者D基态；然后，B以一定的概率对光子态进行偏转操作，再返回给A；3)A接收B发送的光子以不同概率处于R基态或者D基态；然后A通过测量，得到光子态|Ψ'>；4)A将|Ψ'>与|Ψ>进行比对，再通过经典信道向B发送比对结果信息；5)B利用经典信道向A告知其在所述步骤2)的偏转操作信息；6)A根据接收的信息来判断所用测量基是否正确，如果正确，则标记为Y，否则标记为N，然后将标记为Y或者N的位置信息发送给B；7)B根据A所发送的位置信息，将所有标记为N的信息丢弃；8)A和B根据自己的信息和接收的信息生成共享比特串。

【技术特征摘要】
1.一种基于单光子超密编码的量子密钥分配方法，其特征在于，包括以下步骤：1)A制备单光子态|Ψ>，|Ψ>随机处于R基态；然后，A以一定的概率对光子态进行偏转操作，并发送给B；2)B接收A发送的光子以不同概率处于R基态或者D基态；然后，B以一定的概率对光子态进行偏转操作，再返回给A；3)A接收B发送的光子以不同概率处于R基态或者D基态；然后A通过测量，得到光子态|Ψ'>；4)A将|Ψ'>与|Ψ>进行比对，再通过经典信道向B发送比对结果信息；5)B利用经典信道向A告知其在所述步骤2)的偏转操作信息；6)A根据接收的信息来判断所用测量基是否正确，如果正确，则标记为Y，否则标记为N，然后将标记为Y或者N的位置信息发送给B；7)B根据A所发送的位置信息，将所有标记为N的信息丢弃；8)A和B根据自己的信息和接收的信息生成共享比特串。2.根据权利要求1所述的一种基于单光子超密编码的量子密钥分配方法，其特征在于，所述R基态为|0>或|1>，所述D基态为或3.根据权利要求1所述的一种基于单光子超密编码的量子密钥分配方法，其特征在于，所述步骤1)和步骤2)中，以一定的概率对光子态进行...

【专利技术属性】
技术研发人员：李维，高莉莎，胡倩倩，冯宝，张影，严东，贾玮，完颜绍澎，吕超，朱雪阳，刘金锁，马亚妮，
申请(专利权)人：国网江苏省电力有限公司南京供电分公司，南京南瑞国盾量子技术有限公司，南京南瑞信息通信科技有限公司，南瑞集团有限公司，国网江苏省电力有限公司，国家电网有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32