基于单光子源的设备无关量子安全直接通信方法技术

本发明专利技术提出了一种基于单光子源的设备无关量子安全直接通信方法。通信双方使用单光子源产生单光子，双方将单光子发送给第三方进行贝尔态测量，测量结果可指示双方是否成功建立纠缠信道。随后，信息发送方对手中光子进行编码，并将光子发送给信息接收方进行贝尔态测量，以读取发送方传递的秘密信息。两轮光子传输过程的安全性由设备无关安全性检测方法保证。由于单光子源产生单光子的概率远高于纠缠源产生光子纠缠态的概率，本发明专利技术可有效提高DI

【技术实现步骤摘要】
基于单光子源的设备无关量子安全直接通信方法


[0001]本专利技术属于量子通信
，尤其涉及一种基于单光子源的设备无关的量子安全直接通信方法。

技术介绍

[0002]量子通信是指利用量子力学的基本原理实现信息的传输。量子通信有感知窃听的功能，具有绝对安全性，这是其区别于经典通信的最大优势。量子通信包含众多研究分支，例如量子密钥分配(QKD)以及量子安全直接通信(QSDC)。QKD可以在发送方和接收方之间分发一系列安全密钥。在QKD中，为了实现安全通信，发送方和接收方都必须确保加密、密钥分发和解密过程都是绝对安全的。与QKD不同，QSDC提供了一种新的安全通信方式。QSDC允许发送方通过量子信道直接向接收方发送秘密消息，而无需先共享密钥。QSDC没有密钥，没有密文，也没有密钥管理。在QSDC协议中，光子需要在量子信道中传输两轮。每轮光子传输结束后，需要进行安全性检测。与QKD类似，QSDC在理想条件下具有绝对安全性，然而，在实际不完美实验条件下，QSDC具有安全漏洞，迄今发展了多种针对不完美实验设备的攻击方式。而设备无关量子安全直接通信(DI
‑
QSDC)可将所有设备视为黑匣子，不关心匣子里的具体运行过程，只通过黑匣子的经典输入输出值违背贝尔不等式来保证通信的安全性。第一个DI
‑
QSDC协议于2020年提出。DI
‑
QSDC可抵御所有针对不完美设备端的攻击，为QSDC在实际实验条件下提供了最高的安全性保证。然而，现有的DI
‑
QSDC方案使用光子纠缠源(参量下转换纠缠源)制备纠缠态，制备效率较低(～10
‑3‑
10
‑5)，且在分发纠缠过程中，光子传输丢失对通信的安全性造成较大的影响。以上两点导致现有DI
‑
QSDC的安全信息容量较低且安全通信距离较短。
[0003]有鉴于此，有必要设计一种具有较高安全信息容量和较大安全通信距离的DI
‑
QSDC协议。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提高设备无关量子安全直接通信的安全信息容量和安全通信距离。
[0005]为实现以上目的，本专利技术提供了一种基于单光子源的设备无关量子安全直接通信方法，所述方法步骤如下：
[0006]步骤一：信息发送方Alice和信息接收方Bob分别用单光子源制备N对光子对，每个光子对中包含一个水平极化(|H>)的单光子和一个垂直极化(|V>)的单光子；
[0007]步骤二：Alice和Bob分别让手中的每个光子对的两个光子通过一个可变分束器(VBS)，然后将VBS的透射端的光子发送给位于双方中间的第三方进行贝尔态测量(BSM)，如果BSM成功，Alice和Bob处位于VBS反射端的光子建立极化纠缠信道，Alice处位于VBS反射端的光子序列称为SA1序列，Bob处位于VBS反射端的光子序列称为SB1序列；
[0008]步骤三：Alice和Bob将所有SA1序列和SB1序列的光子存入量子存储器；
[0009]步骤四：为保证光子传输的安全性，Alice和Bob进行第一轮设备无关(DI)安全性检查；Alice在SA1序列中随机选取一部分光子作为安全性检测光子，并通过公开信道告诉Bob安全性检测光子的位置，双方从存储器中提取出安全性检测光子，并随机地从几组测量基中选择一组对手中的光子进行测量，测量完成后，双方公布每个安全性检测光子的测量基选择和测量结果，用于估算CHSH多项式(S1)的值，若S1值小于2，则说明光子传输过程不安全，通信终止，若S1的值大于2，则说明光子传输过程安全，通信继续；
[0010]步骤五：在安全性检测通过的情况下，Alice提取出SA1序列中剩余的光子，随机选定一部分光子作为第二轮安全性检测光子，对其不施加任何操作，对剩余的每个光子执行幺正操作来编码信息；随后，Alice打乱SA1序列中光子的顺序，并记录每个光子在原始序列中的位置；
[0011]步骤六：Alice将打乱顺序后SA1序列中的光子通过量子信道发送给Bob，光子传输结束后，Alice公布每个光子在原始序列中的位置以及安全性检测光子的位置；
[0012]步骤七：Bob将所有接收到的光子存到量子存储器中，提取出安全性检测光子对做第二次DI安全性检测，若安全性检测得到的CHSH多项式S2的值小于2，则说明第二轮光子传输过程不安全，通信终止，若S2的值大于2，则说明第二轮光子传输过程安全，通信继续；
[0013]步骤八：在确认第二轮光子传输过程安全的情况下，Bob提取出所有的编码光子对，对每个光子对进行Bell态测量，读取Alice的编码信息。
[0014]本专利技术的进一步改进在于，在所述步骤一中，Alice和Bob利用实际的单光子源制备的每个光子对的量子态均为其中，|H>和|V>被分别代表光子的水平极化和垂直极化。
[0015]本专利技术的进一步改进在于，Alice和Bob将每个光子对的两个光子通过透射率为T的VBS，然后将VBS的透射端的光子发送给位于双方中间的第三方进行BSM，经过BSM并挑选出a1'b1'模式各有一个光子的情况，则双方的总量子态演化为：
[0016]T(1
‑
T)(|φ
+
>
a1'b1'
|φ
+
>
a2b2
‑
|φ
‑
>
a1'b1'
|φ
‑
>
a2b2
+|ψ
+
>
a1'b1'
|ψ
+
>
a2b2
‑
|ψ
‑
>
a1'b1'
|ψ
‑
>
a2b2
).
[0017]其中，因此，双方可以根据第三方的BSM结果判断手中剩余光子处于哪个贝尔态。
[0018]本专利技术的进一步改进在于，本专利技术使用当前实验条件下可实现的线性光学BSM设备，仅能区分|ψ
±
>
a1'b1'
，根据第三方的BSM结果通信双方可共享的量子态为|ψ
+
>
a2b2
和|ψ
‑
>
a2b2
，当得到|ψ
‑
>
a2b2
时，Alice或Bob通过实施相位翻转操作，可将其转化为|ψ
+
>
a2b2
，Alice再运行比特翻转操作，可将所有|ψ
+
>
a2b2
转化为|φ
+
&gt本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于单光子源的设备无关量子安全直接通信方法，其特征在于，所述方法步骤如下：步骤一：信息发送方Alice和信息接收方Bob分别用单光子源制备N对光子对，每个光子对中包含一个水平极化(|H>)的单光子和一个垂直极化(|V>)的单光子；步骤二：Alice和Bob分别让手中的每个光子对的两个光子通过一个可变分束器(VBS)，然后将VBS的透射端的光子发送给位于双方中间的第三方进行贝尔态测量(BSM)，如果BSM成功，Alice和Bob处位于VBS反射端的光子建立极化纠缠信道，Alice处位于VBS反射端的光子序列称为SA1序列，Bob处位于VBS反射端的光子序列称为SB1序列；步骤三：Alice和Bob将所有SA1序列和SB1序列的光子存入量子存储器；步骤四：为保证光子传输的安全性，Alice和Bob进行第一轮设备无关(DI)安全性检查；Alice在SA1序列中随机选取一部分光子作为安全性检测光子，并通过公开信道告诉Bob安全性检测光子的位置，双方从存储器中提取出安全性检测光子，并随机地从几组测量基中选择一组对手中的光子进行测量，测量完成后，双方公布每个安全性检测光子的测量基选择和测量结果，用于估算CHSH多项式(S1)的值，若S1值小于2，则说明光子传输过程不安全，通信终止，若S1的值大于2，则说明光子传输过程安全，通信继续；步骤五：在安全性检测通过的情况下，Alice提取出SA1序列中剩余的光子，随机选定一部分光子作为第二轮安全性检测光子，对其不施加任何操作，对剩余的每个光子执行幺正操作来编码信息；随后，Alice打乱SA1序列中光子的顺序，并记录每个光子在原始序列中的位置；步骤六：Alice将打乱顺序后SA1序列中的光子通过量子信道发送给Bob，光子传输结束后，Alice公布每个光子在原始序列中的位置以及安全性检测光子的位置；步骤七：Bob将所有接收到的光子存到量子存储器中，提取出安全性检测光子对做第二次DI安全性检测，若安全性检测得到的CHSH多项式S2的值小于2，则说明第二轮光子传输过程不安全，通信终止，若S2的值大于2，则说明第二轮光子传输过程安全，通信继续；步骤八：在确认第二轮光子传输过程安全的情况下，Bob提取出所有的编码光子对，对每个光子对进行Bell态测量，读取Alice的编码信息。2.根据权利要求1所述的基于单光子源的设备无关量子安全直接通信方法，其特征在于：在所述步骤一中，Alice和Bob利用实际的单光子源制备的每个光子对的量子态均为其中，|H>和|V>被分别代表光子的水平极化和垂直极化。3.根据权利要求2所述的基于单光子源的设备无关量子安全直接通信方法，其特征在于，Alice和Bob将每个光子对的两个光子通过透射率为T的VBS，然后将VBS的透射端的光子发送给位于双方中间的第三方进行BSM，经过BSM并挑选出a1'b1'模式各有一个光子的情况，则双方的总量子态演化为：T(1
‑
T)(|φ
+
>
a1'b1'
|φ
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|φ
‑
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a1'b1'
|φ
‑
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+|ψ
+
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a1'b1'
|ψ
+
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a2b2
‑
|ψ
‑
>
a1'b1'
|ψ
‑
>
a2b2
).其中，因此，双方可以根据第三方的BSM结果判断手中剩余光子处于哪个贝尔态。4.根据权利要求3所述的基于单光子源的设备无关量子安全直接通信方法，其特征在于，本发明使用当前实验条件下可实现的线性光学BSM设备，仅能区分|ψ
±
>
a1'b1'
，根据第三
方的BSM结果通信双方可共享的量子态为|ψ
+
>
a2b2
和|ψ
‑
>
a2b2
，当得到|ψ
‑
>
a2b2
时，Alice或Bob通过实施相位翻转操作，可将其转化为|ψ
+
>
a2b2
，Alice再运行比特翻转操作，可将所有|ψ
+
>
a2b2
转化为|φ
+
>
a2b2
，使用该方法成功构建|φ
+
>
a2b2
纠缠信道的概率为：P
B
＝η
t
T2(1
‑
T)2/2，其中L
AB
为通信双方之间距离。5.根据权利要求4所述的基于单光子源的设备无关量子安全直接通信方法，其特征在于，为保证第一轮光子传输过程的安全性，Alice和Bob使用DI安全性检测方法，所述安全性检测包括：Alice和Bob分别随机选择测量基对手中的安全性检测光子进行测量，其中，Alice有四组测量基，包括A0＝σ
z
,A3＝σ
x
，Bob有两组...

【专利技术属性】
技术研发人员：周澜，徐保文，盛宇波，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：