一种抵抗集体移相噪声和集体旋转噪声的半量子安全直接通信方法技术

本发明专利技术公开了一种抵抗集体移相噪声和集体旋转噪声的半量子安全直接通信方法，根据六量子比特无消相干态的特性，提出一个新的编码映射规则，帮助经典发送方在含有集体噪声的量子信道中向量子接收方安全的传输秘密消息而不受干扰；其次，在秘密消息传输阶段，引入经典密码学中的消息认证技术，对秘密消息实现二次加密，保证秘密消息的真实性和完整性；最后，通过六次单粒子测量技术对秘密消息进行恢复，可行性较高。行性较高。行性较高。

【技术实现步骤摘要】
一种抵抗集体移相噪声和集体旋转噪声的半量子安全直接通信方法


[0001]本专利技术涉及量子安全通信
，尤其涉及一种抵抗集体移相噪声和集体旋转噪声的半量子安全直接通信方法。

技术介绍

[0002]近年来，为了减小或消除集体噪声对量子通信的影响，提出了无消相干子空间(Decoherence
‑
Free Subspace)的概念。无消相干子空间是指在希尔伯特空间中没有经历相干的子空间，其中的每一个状态都是由几个遭受相同噪声干扰的量子比特组成，且组成的系统可以补偿噪声带来的影响而使得系统的量子态在噪声环境下保持不变，这一优点可用于编码信息，完成在集体噪声下的量子通信。目前，消相干理论在量子安全直接通信领域已经得到了广泛的应用。
[0003]2007年，Ge和liu提出了一种基于无消相干子空间的量子安全直接通信的方法，该方法在集体移相噪声信道上具有很高的鲁棒性。2010年，Qin提出了一种基于无消相干子空间的量子安全直接通信的方法，该方法可以对抗集体旋转噪声。2011年，Yang根据无消相干子空间的理论，提出了两种容错的两步量子安全直接通信方法，每种方法都能抵抗不同类型的集体噪声，拥有很强的拓展性。2012年，Yang针对Ge和Liu之前提出的方法的不足，即攻击者可以故意修改消息而不被发现，进行改进，完善了在集体移相噪声信道上的量子安全直接通信。2014年，Yang等基于受控量子安全直接通信的理论，在无消相干子空间的基础上，提出了两种容错的受控量子安全直接通信的方法，它们对集体移相噪声和集体旋转噪声都具有鲁棒性。2015年，Li和Song等利用无消相干态提出了一种量子安全通信的方法，其不仅能抵抗集体消相干噪声，还能减少光子的损失。
[0004]由上述学术研究和应用场景可见，截止目前，在半量子安全直接通信领域，即通信方中有若干经典方，其余为量子方，尚未提出一种可以同时抵抗集体移相噪声和集体旋转噪声的方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于弥补现有方法的不足，基于量子无消相干态提出一个对两种集体噪声都具有鲁棒性的半量子安全直接通信的方法，缓解或解决在常见的半量子通信中面临的信道集体噪声问题。另外，本专利技术中提到了一种新的编码规则，经典发送方可以利用这种编码方式在含有集体噪声的量子信道中向量子接收方安全的传输秘密消息而不受干扰。同时，在消息传输阶段，结合经典密码学中的消息认证技术，保证秘密消息的真实性和完整性。
[0006]本专利技术提供一种抵抗集体移相噪声和集体旋转噪声的半量子安全直接通信方法，涉及的详细实施方法和步骤如下，包括：
[0007]S101，Alice制备2N个六量子比特无消相干态形成序列S＝{s1,s2,
…
,s
i
,
…
,s
2N
}，
>，形成序列S4；Alice打乱S2、S3和S4的顺序得到序列S5，并将S5发送给Bob。
[0022]一种实现方式中，量子载体的具体表达包括：
[0023][0024]|ρ3>＝P
24
P
13
|ρ2>
[0025]|ρ4>＝P
26
P
15
|ρ2>
[0026]其中，
[0027][0028]P
13
表示将第1、3位量子比特进行置换，P
24
表示将第2、4位量子比特进行置换，P
15
表示将第1、5位量子比特进行置换，P
26
表示将第2、6位量子比特进行置换。
[0029]一种实现方式中，若M
i
是0，则将其编码为|ρ3>；若M
i
是1，则编码为|ρ4>。
[0030]应用本专利技术实施例提供的一种抵抗集体移相噪声和集体旋转噪声的半量子安全直接通信方法，具备的有益效果如下：
[0031]与现有方法相比，本专利技术利用量子不可克隆定理和海森堡测不准原理，基于无消相干子空间的特性，在半量子领域提出了一种可以同时抵抗两种集体噪声的方法，拓宽了量子保密通信的使用范围，同时也降低了技术实施的成本，具体来说，有以下优点：
[0032]1、本专利技术基于六量子比特无消相干态，提出了一种对集体移相噪声和集体旋转噪声均具有鲁棒性的半量子安全直接通信的方法，缓解了在现有的半量子保密通信中存在的信道集体噪声问题。
[0033]2、本专利技术结合经典密码学中的消息认证技术，保证信息传输的真实性和完整性，且具有较高的抗攻击性。
[0034]3、本专利技术中涉及的初始六量子比特无消相干态量子载体的制备，可以从较低维的量子无消相干态(2和4量子位)的基础上获得，增加了方法实施的便利性和可行性。
附图说明
[0035]图1是本专利技术实施例一种抵抗集体移相噪声和集体旋转噪声的半量子安全直接通信方法的结构示意图。
[0036]图2是本专利技术实施例六量子比特无消相干态实现抵抗两种集体噪声的半量子安全直接通信的编码规则映射图。
[0037]图3为单粒子测量区分任何两个六量子比特无消相干态的示意图。
[0038]图4为消息认证技术的方法流程图。
具体实施方式
[0039]以下通过特定的具体实例说明本专利技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利技术的其他优点与功效。本专利技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本专利技术的精神下进行各种修饰或改变。
[0040]本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本专利技术的基本构想，遂图式中仅显示
与本专利技术中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
[0041]1、量子无消相干态的制备
[0042]六量子比特无消相干态的主要形式有如下五种：
[0043][0044][0045][0046][0047][0048]其中，
[0049]|ρ5>采用格兰氏
‑
施密特方法(Gram
‑
Schmidt)来计算，t是元素对的转换数，必须组成这些元素对以使元素以规范的顺序排列(即，000111)。
[0050]选择其中的三种状态作为量子载体，分别是|ρ2>、|ρ3>和|ρ4>。根据六量子比特无消相干态的特点，首先准备其中的一种状态|ρ2>，然后通过对该状态中的量子位进行置换，就能得到另外两种状态|ρ3>和|ρ4>，如下变换：
[0051]|ρ3>＝P
24
P
13
|ρ2&本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种抵抗集体移相噪声和集体旋转噪声的半量子安全直接通信方法，其特征在于，包括：S101，Alice制备2N个六量子比特无消相干态形成序列S＝{s1,s2,
…
,s
i
,
…
,s
2N
}，其中q为单粒子态，N是整数，每个六量子比特无消相干态来自量子载体|ρ2>；Alice从中取出N个六量子比特无消相干态作为诱饵光子，等分成两个序列S1、S2，并把S1发送给Bob，保留S2以及剩下的N个六量子比特无消相干态；S102，Bob收到S1序列之后，随机对其中的每个量子态执行测量或反射操作，以反馈状态至Alice；S103，Alice确认收到Bob发回的状态后，Bob公布对应执行的操作以及测量的结果，Alice由此进行第一次窃听检测：基于检测结果，Alice得到错误率，如果错误率超过预定的安全阈值，将终止通信；否则，说明量子信道安全，继续进行S104；S104，通过窃听检测之后，Alice根据编码规则对剩下的N个六量子比特无消相干态|ρ2>进行量子位置换操作，形成序列S3和S4，Alice打乱S2、S3和S4的顺序得到序列S5，并将S5发送给Bob；S105，Bob收到序列S5后，Alice公布其中S2所对应的原始顺序，此时Bob和Alice重复步骤S102，S103的操作，进行第二次窃听检查，以确保量子态没有受到干扰；通过窃听检查后，Alice公布S3和S4的初始顺序，Bob利用消息认证算法MAC，采用由密钥K控制的单向哈希函数H
K
(
·
)来加密秘密消息序列m；接着，Bob计算MAC＝H
K
(m)和M＝mMAC，其中代表“连接”操作；为了消除信道噪声的影响，Bob根据态|ρ3>和|ρ4>的位置随机将对应的M
i
编码到序列S3和S4中，这里M
i
表示M的第i个值，即若M
i
是0，则编码为|ρ3>；若M
i
是1，则编码为|ρ4>；编码完成之后，Bob将其形成序列S6，发送给Alice；S106，Alice收到S6之后，对其中每个六量子比特无消相干态的量子位进行基组测量，执行该操作的意义一是为了达到类似于第一二次窃听检查过程中的反射操作的作用，二是为了区分收到的量子态，Alice将S6中|ρ3>和|ρ4>的测量结果与初始的测量结果相比对，根据比较结果、编码规...

【专利技术属性】
技术研发人员：周日贵，张晓雪，
申请(专利权)人：上海海事大学，
类型：发明
国别省市：