基于加密三光子矩阵乘积态的两方量子密钥分发方法技术

本发明专利技术涉及量子通信技术，具体为一种基于加密三光子矩阵乘积态的两方量子密钥分发方法，首先，第一通信方将预分发的3bit密钥对制备成三光子矩阵乘积态，并随机选择泡利矩阵对第二个光子进行加密；然后通过量子信道发送给第二通信方；接着，执行窃听检测，识别是否存在第三通信方的干扰，若干扰超过预设阈值，则通信结束；然后，第一通信方通过经典信道告知第二通信方所选择的泡利矩阵以及解密当前光子所对应的系数矩阵；第二通信方测量所接收的光子并基于对应的泡利矩阵和系数矩阵恢复得到第一通信方分发的3bit密钥对。其效果是：有效减少了发送的量子比特数和双方交换的经典比特数；提高量子比特效率，节省量子资源，并可抵御各种攻击。御各种攻击。御各种攻击。

【技术实现步骤摘要】
基于加密三光子矩阵乘积态的两方量子密钥分发方法


[0001]本专利技术涉及量子通信
，尤其涉及一种基于加密三光子矩阵乘积态的两方量子密钥分发方法。

技术介绍

[0002]量子物理学的最新进展表明，量子纠缠成为在量子信道上实施量子密钥分发的最好方法。1991年，Ekert教授提出了基于纠缠的量子密钥分发(QKD)协议(简称Ekert91)。Ekert91协议的安全性是由著名的贝尔不等式保证的。1992年，Bennett，Brassard和Mermin等人修改了Ekert91协议(简称BBM92)。与Ekert91协议相比，BBM92协议的安全性不再依赖于贝尔不等式。相反，其安全性的评估类似于众所周知的BB84协议，即通过对比数据误码率的方式来判断窃听情况。这样的好处在于，Bell不等式的检验在实验实现上较为困难，而对比是否存在误码则要容易得多。
[0003]2002年，Long和Liu提出了一种QKD协议(简称LL02)，具体可参考：Long G L and Liu X S.Theoretically efficient high capacity quantum
‑
key
‑
distribution schemes.Physical Review A,2002,65:032302.
[0004]该协议采用了N个有序纠缠对，在LL02协议中，两个通信方(我们称他们为Alice和Bob)事先协商好使用四个Bell态|ψ
‑
>
>AB
,|ψ
+
>
AB
,|φ
‑
>
AB
,|φ
+
>
AB
对二进制字符串00，01，10和11分别进行编码。接下来，Alice一次制备N个有序EPR(Einstein
‑
Podolsky
‑
Rosen)对，这些EPR对处于随机Bell态中的一个。Alice将这N个EPR对分为两组，并将第一组发送给Bob。当Bob收到Alice发送第一组序列后，Bob随机选择两组测量基(
⊕
或)用于第一组序列中的单光子测量。然后，Bob告诉Alice他测量了哪些光子以及它们的测量结果。然后，Alice对尚未发送的光子序列中对应的光子进行单光子测量，并将测量结果与Bob的测量结果进行比较，以分析错误率。如果错误率小于设定的阈值，Alice再将第二组光子序列发送给Bob。Bob将这两组光子序列集合结合起来执行贝尔测量，以便读出由Alice制备的EPR完全对应的量子态及其编码的二进制字符串。否则，Alice和Bob将丢弃这些EPR对。LL02协议的一个优点是它的性能优于Ekert91和BBM92协议。然而，它的缺点是需要抑制退相干效应，因为一组光子序列需要等待另一组光子序列的传输。基于LL02协议，更多基于EPR和GHZ(Greenberger
‑
Horne
‑
Zeilinger)态的QKD协议被提出。自从有这些协议的提出，基于纠缠态的QKD协议就一直是一个活跃的研究课题，包括其安全性分析和实验实现。
[0005]要在两方和三方QKD协议中生成相同的随机数，我们通常可以使用EPR对或GHZ态。但遗憾的是，在这些协议中，纠缠态系数的关系没有得到充分利用，传达密钥信息时所需要的量子资源相对较高。

技术实现思路

[0006]由于矩阵乘积态(MPS)提供了整个态的纠缠的完整描述，与描述纠缠“数量”的冯
·
诺依曼熵不同，MPS描述了态之间的特定纠缠关系，MPS是一类设计好的张量网络态，在
量子信息处理中起着重要作用。由MPS精确表示的纠缠态可以通过其属性来表征。例如，给定纠缠态的所有系数显示在了MPS中，因此MPS就直接定义了相应光子之间的纠缠关系。这意味着我们可以使用三光子MPS来设计一个两方QKD协议。
[0007]有鉴于此，本专利技术提供一种基于加密三光子矩阵乘积态的两方量子密钥分发方法，解决的技术问题在于：如何在密钥分发过程中充分利用各个纠缠态的系数。
[0008]为了实现上述目的，本专利技术所采用的具体技术方案如下：
[0009]一种基于加密三光子矩阵乘积态的两方量子密钥分发方法，其关键在于，包括以下步骤：
[0010]S1：第一通信方将预分发的3bit密钥对制备成三光子矩阵乘积态，并随机选择泡利矩阵对第二个光子进行加密；然后通过量子信道将加密后的第二个光子发送给第二通信方；
[0011]S2：第一通信方和第二通信方执行窃听检测，识别是否存在第三通信方的干扰，若干扰超过预设阈值，则通信结束；
[0012]S3：第一通信方通过经典信道告知第二通信方在步骤S1中所选择的泡利矩阵以及解密当前光子所对应的系数矩阵；第二通信方测量所接收的光子并基于对应的泡利矩阵和系数矩阵恢复得到第一通信方分发的3bit密钥对。
[0013]可选地，第一通信方将预分发的密钥信息按照3bit密钥对进行分组，通过重复执行步骤S1
‑
S3，第二通信方将每次恢复得到的3bit密钥对进行串联形成密钥信息。
[0014]可选地，第一通信方按照均匀分布选择|001>,|011>,|110>三种光子组合，并以的形式制备三光子矩阵乘积态，其中m＝1，2，
…
，n，n表示密钥信息中所含3bit密钥对的分组数量。
[0015]可选地，第一通信方制备的三光子矩阵乘积态表示为：
[0016][0017]对应的系数矩阵为：
[0018][0019]其中，表示当光子1处于状态|0>，光子2也处于状态|0>时，对应的系数矩阵为表示当光子1处于状态|0>，光子2也处于状态|0>时，对应的系数矩阵为表示当光子1处于状态|0>，光子2处于状态|1>时，对应的系数矩阵为表示当光子1处于状态|0>，光子2处于状态|1>时，对应的系数矩阵为表示当光子1处于状态|1>，光子2也处于状态1时，对应的系数矩阵为
[0020]可选地，第二通信方按照以下方式恢复得到3bit密钥对K
AB
，
[0021][0022]其中：|0>和|1>对应为第二通信方所接收的光子测量结果，其中：|0>和|1>对应为第二通信方所接收的光子测量结果，为解密当前光子所对应的系数矩阵。
[0023]可选地，在步骤S2中执行窃听检测时，第二通信方随机选择已接收到的光子，并从两个基B
z
＝{|0>,|1>}，B
x
＝{|+>,本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于加密三光子矩阵乘积态的两方量子密钥分发方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：第一通信方将预分发的3bit密钥对制备成三光子矩阵乘积态，并随机选择泡利矩阵对第二个光子进行加密；然后通过量子信道将加密后的第二个光子发送给第二通信方；S2：第一通信方和第二通信方执行窃听检测，识别是否存在第三通信方的干扰，若干扰超过预设阈值，则通信结束；S3：第一通信方通过经典信道告知第二通信方在步骤S1中所选择的泡利矩阵以及解密当前光子所对应的系数矩阵；第二通信方测量所接收的光子并基于对应的泡利矩阵和系数矩阵恢复得到第一通信方分发的3bit密钥对。2.根据权利要求1所述的两方量子密钥分发方法，其特征在于，第一通信方将预分发的密钥信息按照3bit密钥对进行分组，通过重复执行步骤S1
‑
S3，第二通信方将每次恢复得到的3bit密钥对进行串联形成密钥信息。3.根据权利要求2所述的基于加密三光子矩阵乘积态的两方量子密钥分发方法，其特征在于，第一通信方按照均匀分布选择|001>,|011>,|110>三种光子组合，并以的形式制备三光子矩阵乘积态，其中m＝1，2，
…
，n，n表示密钥信息中所含3bit密钥对的分组数量。4.根据权利要求1
‑
3任一所述的基于加密三光子矩阵乘积态的两方量子密钥分发方法，其特征在于，第一通信方制备的三光子矩阵乘积态表示为：对应的系数矩阵为：其中，表示当光子1处于状态|0>，光子2也处于状态|0>时，对应的系数矩阵为表示当光子1处于状态|0>，光子2也处于状态|0>时，对应的系数矩阵为表示当...

【专利技术属性】
技术研发人员：赖红，张超杰，刘力源，张啸天，
申请(专利权)人：西南大学，
类型：发明
国别省市：