多自由度超编码的设备无关量子安全直接通信方法技术

本发明专利技术公开了一种基于极化

【技术实现步骤摘要】
多自由度超编码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
，具体涉及一种多自由度超编码的设备无关量子安全直接通信方法(DI
‑
QSDC)。

技术介绍

[0002]量子通信是利用量子力学的基本原理实现信息的传输。量子通信具有感知窃听的功能，具有绝对安全性，这是它与经典通信相比的最大优势。量子安全直接通信(QSDC)是量子通信的重要分支，可直接通过量子信道在通信双方传递秘密信息，而不需双方事先共享密钥。
[0003]在QSDC协议中，光子需要在量子信道中传输两轮，每轮传输结束后，需要进行安全性检测确保光子传输过程的安全。但是在实际实验条件下，由于实验设备的不完美，出现了很多针对实验设备的攻击方式，这也是为QSDC带来了安全漏洞。为此，有研究人员又提出了首个设备无关量子安全直接通信(DI
‑
QSDC)方案。所有设备可以视为黑匣子，只通过黑匣子的经典输入输出值违背贝尔不等式来确定通信的安全性。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DI
‑
QSDC存在安全信息容量较低的技术问题。

技术实现思路

[0004]解决的技术问题：为提高DI
‑
QSDC方案的安全容量，本专利技术在DI
‑
QSDC协议中引入了光子多自由度编码的思想，可有效提高光子的信道容量，提高DI
‑
QSDC的实际通信效率。本专利技术提高了设备无关量子安全直接通信的安全信息容量。
[0005]技术方案：。
[0006]一种多自由度超编码的设备无关量子安全直接通信方法，所述通信方法包括以下步骤：
[0007]S1，用户Alice制备N个相同的极化和空间自由度的超纠缠光子对，将N个超纠缠对分成C序列和M序列两个光子序列；用户Alice将C序列中的所有光子依次通过量子信道发送给用户Bob；用户Bob收到光子后，通过经典信道通知用户Alice，双方将各自的光子存储到量子存储器中；
[0008]S2，用户Bob从C序列中随机选择一个光子子集，通过经典通道将其顺序位置公开给用户Alice；双方将安全性检测光子从量子存储中提取出来在两个自由度上进行第一轮设备无关安全性检查；若任何一个自由度的安全性检测没有通过，则双方终止通信，若两个自由度的安全性检测都通过，则转入步骤S3；
[0009]S3，用户Alice从量子存储器中取出M序列的光子，随机从M序列光子中选择一个光子子集作为第二轮安全性检查光子，不对其执行任何操作；对其余的光子，在两个自由度上使用幺正操作对其进行编码；
[0010]S4，用户Alice将M光子序列中的光子顺序打乱，并记录每个光子在原始M序列中的
位置；用户Alice将打乱顺序后的M序列发送给用户Bob，光子传输完成后，用户Alice通过授权的经典信道公开原始M序列中每个光子的位置以及安全检测光子的位置；
[0011]S5，用户Bob将所有光子存储到量子存储设备中，根据用户Alice的指示恢复原始M序列，再从存储器中提取出安全检测光子，独自在两个自由度上进行第二次设备无关安全性检测；若任何一个自由度的安全性检测未通过，则终止通信，若两个自由度的安全性检测都通过，则转入步骤S6；
[0012]S6，用户Bob提取出所有编码光子对，通过超纠缠贝尔态分析，得到编码后两个自由度的贝尔态，通过与原贝尔态相比，得到两个自由度的编码信息。
[0013]进一步地，步骤S1中，用户Alice利用实际的纠缠源制备超纠缠光子对的量子态为其中，和分别属于下列极化自由度和空间自由度的四个贝尔态：
[0014][0015][0016][0017][0018]其中，p代表极化自由度，s代表空间自由度，|H>和|V>分别代表光子的水平极化和垂直极化，a1、a2、a
′1和a
′2均表示空间模式。
[0019]进一步地，步骤S1中，用户Alice将所有位于|a
′1>和|a
′2〉这两个空间模式的光子发送到用户Bob，a
′1和a
′2分别对应Bob方的b1和b2空间模式，得到在空间模式下新的四个贝尔态为：
[0020][0021][0022]进一步地，步骤S2中，双方将安全性检测光子从量子存储中提取出来在两个自由度上进行第一轮设备无关安全性检查的过程包括以下步骤：
[0023]用户Alice和用户Bob对每个安全检查光子对的两个光子在两个自由度上随机选择测量基进行测量；其中，用户Alice在极化和空间这两个自由度上分别有四种选择的测量基：
[0024][0025][0026]用户Bob在极化和空间这两个自由度上分别有两种选择的测量基：
[0027]B
1p
＝A
0p
，B
2p
＝A
3p
；B
1s
＝A
0s
，B
2s
＝A
3s
；
[0028]其中，σ
zp
、σ
xp
和σ
zs
、σ
xs
分别对应极化自由度和空间自由度的泡利矩阵：
[0029][0030]所有测量的结果用+1，
‑
1结果表示；将与测量基对应的测量结果用相应的小写字母表示：
[0031]a
p
＝{a
0p
,a
1p
,a
2p
,a
3p
}，b
p
＝{b
1p
,b
2p
}；a
s
＝{a
0s
,a
1s
,a
2s
,a
3s
}，b
s
＝{b
1s
,b
2s
}；
[0032]式中，a
ip
,b
jp
∈{+1,
‑
1}，a
is
,b
js
∈{+1,
‑
1}；i＝0,1,2,3，j＝1,2；
[0033]如果双方获得非决定性结果，即光子探测器没有探测到光子，则测量结果随机设置为+1或者
‑
1；
[0034]测量完所有检查光子对后，用户Alice和用户Bob公布各自的测量基和测量结果。
[0035]进一步地，当用户Alice选择A
1p
、A
1s
、A
2p
和A
2s
测量基，用户Bob选择B
1p
、B
1s
、B
2p
和B...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多自由度超编码的设备无关量子安全直接通信方法，其特征在于，所述通信方法包括以下步骤：S1，用户Alice制备N个相同的极化和空间自由度的超纠缠光子对，将N个超纠缠对分成C序列和M序列两个光子序列；用户Alice将C序列中的所有光子依次通过量子信道发送给用户Bob；用户Bob收到光子后，通过经典信道通知用户Alice，双方将各自的光子存储到量子存储器中；S2，用户Bob从C序列中随机选择一个光子子集，通过经典通道将其顺序位置公开给用户Alice；双方将安全性检测光子从量子存储中提取出来在两个自由度上进行第一轮设备无关安全性检查；若任何一个自由度的安全性检测没有通过，则双方终止通信，若两个自由度的安全性检测都通过，则转入步骤S3；S3，用户Alice从量子存储器中取出M序列的光子，随机从M序列光子中选择一个光子子集作为第二轮安全性检查光子，不对其执行任何操作；对其余的光子，在两个自由度上使用幺正操作对其进行编码；S4，用户Alice将M光子序列中的光子顺序打乱，并记录每个光子在原始M序列中的位置；用户Alice将打乱顺序后的M序列发送给用户Bob，光子传输完成后，用户Alice通过授权的经典信道公开原始M序列中每个光子的位置以及安全检测光子的位置；S5，用户Bob将所有光子存储到量子存储设备中，根据用户Alice的指示恢复原始M序列，再从存储器中提取出安全检测光子，独自在两个自由度上进行第二次设备无关安全性检测；若任何一个自由度的安全性检测未通过，则终止通信，若两个自由度的安全性检测都通过，则转入步骤S6；S6，用户Bob提取出所有编码光子对，通过超纠缠贝尔态分析，得到编码后两个自由度的贝尔态，通过与原贝尔态相比，得到两个自由度的编码信息。2.根据权利要求1所述的多自由度超编码的设备无关量子安全直接通信方法，其特征在于，步骤S1中，用户Alice利用实际的纠缠源制备超纠缠光子对的量子态为其中，和分别属于下列极化自由度和空间自由度的四个贝尔态：态：态：态：其中，p代表极化自由度，s代表空间自由度，|H〉和|V〉分别代表光子的水平极化和垂直极化，a1、a2、a
′1和a
′2均表示空间模式。3.根据权利要求2所述的多自由度超编码的设备无关量子安全直接通信方法，其特征在于，步骤S1中，用户Alice将所有位于a
′1和a
′2这两个空间模式的光子发送到用户Bob，a
′1和a
′2分别对应Bob方的b1和b2空间模式，得到双方在空间模式下共享的新的四个贝尔态为：
4.根据权利要求1所述的多自由度超编码的设备无关量子安全直接通信方法，其特征在于，步骤S2中，双方将安全性检测光子从量子存储中提取出来在两个自由度上进行第一轮设备无关安全性检查的过程包括以下步骤：用户Alice和用户Bob对每个安全检查光子对的两个光子在两个自由度上随机选择测量基进行测量；其中，用户Alice在极化和空间这两个自由度上分别有四种选择的测量基：A
0p
＝σ
zp
，A
3p
＝σ
xp
；A
0s
＝σ
zs
，A
3s
＝σ
xs
；用户Bob在极化和空间这两个自由度上分别有两种选择的测量基：B
1p
＝A
0p
，B
2p
＝A
3p
；B
1s
＝A
0s
，B
2s
＝A
3s
；其中，σ
zp
、σ
xp
和σ
zs
、σ
xs
分别对应极化自由度和空间自由度的泡利矩阵：所有测量的结果用+1，
‑
1结果表示；将与测量基对应的测量结果用相应的小写字母表示：a
p
＝{a
0p
,a
1p
,a
2p
,a
3p
}，b
p
＝{b
1p
,b
2p
}；a
s
＝{a
0s
,a
1s
,a
2s
,a
3s
}，b
s
＝{b
1s
,b
2s
}；式中，a
ip
,b
jp
∈{+1,
‑
1}，a
is
,b
js
∈{+1,
‑
1}；i＝0,1,2,3，j＝1,2；如果双方获得非决定性结果，即光子探测器没有探测到光子，则测量结果随机设置为+1或者
‑
1；测量完所有检查光子对后，用户Alice和用户Bob公布各自的测量基和测量结果。5.根据权利要求4所述的多自由度超编码的设备无关量子安全直接通信方法，其特征在于，当用户Alice选择A
1p
、A
1s
、A
2p
和A
2s
测量基，用户Bob选择B
1p
、B
1s
、B
2p
和B
2s
测量基时，用户Alice和用户Bob的测量结果用于估算CHSH多项式为：S
1p
＝<a
1p
b
1p
>+<a
1p
b
2p
>+<a
2p
b
1p
>
‑
<a
2p
b
2p
>；S
1s
＝<a
1s
b
1s
〉+<a
1s
b
2s
>+<a
2s
b
1s
>
‑
<a
2s
b
2s
>；式中，S
1p
和S
1s
分别表示极化自由度和空间自由度估算的CHSH多项式的值，<a
ip
b
jp
>和<a
is
b
js
>被定义为：<a
ip
b
jp
>＝P(a
ip
＝b
jp
|A
ip
B
jp
)
‑
P(a
ip
≠b
jp
|A
ip
B
jp
)；<a
is
b
js
>＝P(a
is
＝b
js
|A
is
B
js
)
‑
P(a
is
≠b
js
|A
is
B<...

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