基于量子行走的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量子行走的量子安全直接通信方法，包括编码量子行走系统的初始态；执行基于有向环图上一步量子行走得到共享纠缠态；重新描述发送方和接收方共享的量子信道；发送方采用基于位置的测量基进行测量并发送给接收方；接收方采用基于硬币的测量基进行对应测量；发送方和接收方比较测量结果实现信道判断；计算复合量子态；进行第二步基于有向环图上量子行走得到最终量子纠缠态；发送方执行投影测量并传输接收方；接收方测量并获取秘密信息完成基于量子行走的量子安全直接通信。本发明专利技术避免了纠缠态的提前制备，规避了粒子分发中的安全风险，测量效率更高且实验上更加容易实现，而且可靠性高、安全性高、效率高。效率高。效率高。

【技术实现步骤摘要】
基于量子行走的量子安全直接通信方法


[0001]本专利技术属于量子通信领域，具体涉及一种基于量子行走的量子安全直接通信方法。

技术介绍

[0002]随着信息技术革命的持续发展以及大数据时代的到来，数据无疑是企业和个人最重要的资产，因此数据泄露造成的安全风险大大增加。此外，各种消息的伪造与篡改等现象大量存在。为了在通信过程中减少或避免这些情况的发生，各种安全通信技术成为保密通信领域的研究热点。
[0003]安全通信技术旨在确保秘密信息不仅只对于两个授权通信方是可解释的，而且在传输的过程中不应该被篡改。目前，量子通信技术已经被认为是最重要的安全通信技术之一。
[0004]现有的量子密钥分发协议，如BB84协议、E91协议、BBM92协议等，它们的主要目的在于在两方(发送方Alice和接收方Bob)之间制备一个随机密钥序列，通过该随机密钥序列连同量子一次一密实现数据的加密通信。但是，这类量子密钥分发方法，其通信复杂度相对较高；而且，该类方案在实际传输的过程中，特别是在密钥分发、密钥存储和密文传输的过程中，依旧存在泄密的风险。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种可靠性高、安全性好且效率较高的基于量子行走的量子安全直接通信方法。
[0006]本专利技术提供的这种基于量子行走的量子安全直接通信方法，包括如下步骤：
[0007]量子信道准备阶段：
[0008]S1.对量子行走系统的初始态进行编码；
[0009]S2.在步骤S1得到的量子态上执行基于有向环图上一步量子行走，从而得到用作量子信道的共享纠缠态；
[0010]信道检测阶段：
[0011]S3.将发送方和接收方共享的量子信道重新描述为基于位置的测量基和基于硬币的测量基；
[0012]S4.发送方采用基于位置的测量基进行测量，并将采用的用于测量的纠缠态发送给接收方；
[0013]S5.接收方获得发送方发送的纠缠态后，采用基于硬币的测量基进行对应的测量；
[0014]S6.发送方和接收方将各自的测量结果与所有可能的输出结果进行比较，实现对量子信道的检测和判断：
[0015]若判定量子信道安全，则进行后续的步骤；
[0016]否则，通信结束；
[0017]秘密信息传输阶段：
[0018]S7.计算得到通信系统的复合量子态；
[0019]S8.在步骤S7得到的量子态上进行第二步基于有向环图上量子行走，得到发送方和接收方的最终量子纠缠态；
[0020]S9.发送方在步骤S8得到的量子态上执行投影测量，并将数据传输给接收方；
[0021]S10.接收方根据接收到的数据信息，进行测量获取秘密信息，完成基于量子行走的量子安全直接通信。
[0022]步骤S1所述的对量子行走系统的初始态进行编码，具体包括如下步骤：
[0023]针对一个基于有向环图的量子行走模型，其中包括一个位置空间和一个命名为硬币1的硬币空间；发送方持有发送方第一粒子A1，接收方持有接收方第一粒子B1；
[0024]编码位于位置空间中的位置态到发送方第一粒子A1上；编码位于硬币1空间中的硬币1态到接收方第一粒子B1上；
[0025]发送方制备位于发送方第一粒子A1上的初始态为|0>，接收方制备位于接收方第一粒子B1上的初始态为|0>；因此，量子行走系统的初始态表示为：
[0026][0027]其中为张量积运算；|ψ>0为量子行走系统的初始态。
[0028]步骤S2所述的在步骤S1得到的量子态上执行基于有向环图上一步量子行走，从而得到用作量子信道的共享纠缠态，具体包括如下步骤：
[0029]执行基于有向环图上一步量子行走在量子态|ψ>0，发送方和接收方得到用作量子信道的纠缠态；
[0030]采用如下算式描述量子行走：
[0031][0032]式中U1为作用在接收方第一粒子B1上(硬币1态)的硬币算子；T
circle
为作用在整个系统上的条件移位算子；I
p
为作用在发送方第一粒子A1(位置态)上的单位算子。为任意的单量子比特操作，比如单位门I，哈德玛(Hadamard)门H等；当时，得到一步量子行走演化后的量子态|ψ>1为其中H为Hadamard门。
[0033]所述的步骤S1和步骤S2能够被重复若干次，以制备达到设定数量的量子态，从而为后续的信道检测和秘密消息传输做准备；同时，量子信道准备阶段的纠缠制备过程，采用的是先分发然后在一步量子行走之后自动产生需求的共享纠缠态。
[0034]步骤S3所述的将发送方和接收方共享的量子信道重新描述为基于位置的测量基和基于硬币的测量基，具体包括如下步骤：
[0035]发送方和接收方共享的量子信道|ψ>1被重新描述为基于位置的测量基{|0>,|1>,|2>,|3>}和基于硬币的测量基{|+>,|
‑
>}，表示为
[0036][0037]其中
[0038]步骤S4所述的发送方采用基于位置的测量基进行测量，并将采用的用于测量的纠缠态发送给接收方，具体包括如下步骤：
[0039]设定有一个选自纠缠态集合{|ψ>1}的、元素数量小于设定值的子集；发送方首先采用测量基{|0>,|1>,|2>,|3>}测量发送方第一粒子A1，然后发送方将选择测量的纠缠态发送给接收方。
[0040]步骤S5所述的接收方获得发送方发送的纠缠态后，采用基于硬币的测量基进行对应的测量，具体包括如下步骤：
[0041]接收方接收到发送方发送的用于测量的纠缠态后，采用测量基{|+>,|
‑
>}测量对应纠缠态的接收方第一粒子B1。
[0042]步骤S6所述的发送方和接收方将各自的测量结果与所有可能的输出结果进行比较，实现对量子信道的检测和判断，具体包括如下步骤：
[0043]发送方和接收方将各自的测量结果与可能输出的结果进行比较；对比所有输出结果之后：
[0044]若错误率小于设定的可信度阈值，则发送方和接收方认定量子信道是安全的，并进行后续步骤；
[0045]否则，发送方和接收方认定量子信道是不安全的，通信结束。
[0046]步骤S7所述的计算得到通信系统的复合量子态，具体包括如下步骤：
[0047]合并发送方的发送方第一粒子A1、发送方第二粒子A2和接收方的接收方第一粒子B1，得到通信系统的复合量子态为为：
[0048][0049]式中|φ＞为发送方第二粒子A2上所处的量子态，其中m为量子基态|1＞的系数，取值为1和
‑
1。
[0050]步骤S8所述的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于量子行走的量子安全直接通信方法，包括如下步骤：量子信道准备阶段：S1.对量子行走系统的初始态进行编码；S2.在步骤S1得到的量子态上执行基于有向环图上一步量子行走，从而得到用作量子信道的共享纠缠态；信道检测阶段：S3.将发送方和接收方共享的量子信道重新描述为基于位置的测量基和基于硬币的测量基；S4.发送方采用基于位置的测量基进行测量，并将采用的用于测量的纠缠态发送给接收方；S5.接收方获得发送方发送的纠缠态后，采用基于硬币的测量基进行对应的测量；S6.发送方和接收方将各自的测量结果与所有可能的输出结果进行比较，实现对量子信道的检测和判断：若判定量子信道安全，则进行后续的步骤；否则，通信结束；秘密信息传输阶段：S7.计算得到通信系统的复合量子态；S8.在步骤S1得到的量子态上进行第二步基于有向环图上量子行走，得到发送方和接收方的最终量子纠缠态；S9.发送方在步骤S8得到的量子态上执行投影测量，并将数据传输给接收方；S10.接收方根据接收到的数据信息，进行测量获取秘密信息，完成基于量子行走的量子安全直接通信。2.根据权利要求1所述的基于量子行走的量子安全直接通信方法，其特征在于步骤S1所述的对量子行走系统的初始态进行编码，具体包括如下步骤：针对一个基于有向环图的量子行走模型，其中包括一个位置空间和一个命名为硬币1的硬币空间；发送方持有发送方第一粒子，接收方持有接收方第一粒子；编码位于位置空间中的位置态到发送方第一粒子上；编码位于硬币1空间中的硬币1态到接收方第一粒子上；发送方制备位于发送方第一粒子上的初始态为|0>，接收方制备位于接收方第一粒子上的初始态为|0>；因此，量子行走系统的初始态表示为：其中为张量积运算；|ψ>0为量子行走系统的初始态。3.根据权利要求2所述的基于量子行走的量子安全直接通信方法，其特征在于步骤S2所述的在步骤S1得到的量子态上执行基于有向环图上一步量子行走，从而得到用作量子信道的共享纠缠态，具体包括如下步骤：执行基于有向环图上一步量子行走在量子态|ψ>0，发送方和接收方得到用作量子信道的纠缠态；采用如下算式描述量子行走：
式中U1为作用在接收方第一粒子B1上的硬币算子；T
circle
为作用在整个系统上的条件移位算子；I
p
为作用在发送方第一粒子A1上的单位算子；为任意的单量子比特操作，比如单位门I，哈德玛门H等；当时，得到一步量子行走演化后的量子态|ψ>1为其中H为哈德玛门。4.根据权利要求3所述的基于量子行走的量子安全直接通信方法，其特征在于所述的步骤S1和步骤S2能够被重复若干次，以制备达到设定数量的量子态，从而为后续的信道检测和秘密消息传输做准备；同时，量子信道准备阶段的纠缠制备过程，采用的是先分发然后在一步量子行走之后自动产生需求的共享纠缠态。5.根据权利要求4所述的基于量子行走的量子安全直接通信方法，其特征在于步骤S3所述的将发送方和接收方共享的量子信道重新描述为基于位置的测量基和基于硬币的测量基，具体包括如下步骤：发送方和接收方共享的量子信道|ψ>1被重新描述为基于位置的测量基{|0>,|1>,|2>,|3>}和基于硬币的测量基{|+>,|
‑
>}，表示为其中6.根据权利要求5所述的基于量子行走的量子安全直接通信方法，其特征在于步骤S4所述的发送方采用基于位置的测量基进行测量，并将采用的用于测量的纠缠态发送给接收方，具体包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯艳艳，胡欣蓝，严宇芝，郭子成，
申请(专利权)人：中南林业科技大学，
类型：发明
国别省市：