基于多自由度的与测量设备无关的量子安全直接通信方法专利检索-量子信道电脑编程专利检索查询-专利查询网

基于多 自由度的与测量设备无关的量子安全直接通信方法

阅读：958发布：2020-05-08

专利汇可以提供基于多自由度的与测量设备无关的量子安全直接通信方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了基于多自由度的与测量设备无关的量子安全直接通信方法，包括以下步骤：制备发送用户和接收用户的量子态；对所述发送用户和接收用户的量子态进行超纠缠贝尔态测量，获取错误比特率；根据所述错误比特率和误码率门限判断是否存在窃听，若不存在，则对所述发送用户的量子态进行编码；对所述编码后的量子态进行安全检测，判断所述编码后的量子是否存在窃听，若不存在则由接收用户获取发送用户的编码。与原始MDI-QSDC相比，我们的协议具有更大的信道容量，并且可以同时确保通信的安全性，以防止对检测器端的所有可能的攻击。，下面是基于多自由度的与测量设备无关的量子安全直接通信方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于多自由度的与测量设备无关的量子安全直接通信方法，其特征在于，包括以下步骤：
制备发送用户和接收用户的量子态；
对所述发送用户和接收用户的量子态进行超纠缠贝尔态测量，获取错误比特率；
根据所述错误比特率和误码率门限判断是否存在窃听，若不存在，则对所述发送用户的量子态进行编码；
对所述编码后的量子态进行安全检测，判断所述编码后的量子是否存在窃听，若不存在则由接收用户获取发送用户的编码。
2.根据其权利要求1所示的一种基于多自由度的与测量设备无关的量子安全直接通信方法，其特征在于，所述发送用户的量子态包括纠缠态和单光子态；所述接受用户的量子态包括单光子态。
3.根据其权利要求1所示的一种基于多自由度的与测量设备无关的量子安全直接通信方法，其特征在于，所述量子态的自由度为3。
4.根据其权利要求2所示的一种基于多自由度的与测量设备无关的量子安全直接通信方法，其特征在于，所述单光子态的表达式如下所示：
其中，ζ表示单光子态，P表示极化自由度，F表示第一纵向动量自由度，S表示第二纵向动量自由度；
所述纠缠态的表达式如下所示：
其中，H、V分别表示光子的水平和垂直偏振；l和r分别表示光子处于平面左边和右边；I和E分别表示光子处于平面内圈和外圈；下标1表示被编码的光子和2表示进行贝尔态测量的光子。
5.根据其权利要求2所示的一种基于多自由度的与测量设备无关的量子安全直接通信方法，其特征在于，所述超纠缠贝尔态的表达式如下：
其中，P表示极化自由度，F表示第一纵向动量自由度，S表示第二纵向动量自由度；H和V分别表示光子的水平和垂直偏振；l和r分别表示光子处于平面左边和右边；I和E分别表示光子处于平面内圈和外圈，表示两个光子不同的贝尔态，φ表示两个光子相同的贝尔态。
6.根据其权利要求4所示的一种基于多自由度的与测量设备无关的量子安全直接通信方法，其特征在于，所述极化自由度包括：
其中，P表示极化自由度，H表示光子的水平偏振状态，V表示光子的垂直偏振状态。
7.根据其权利要求4所示的一种基于多自由度的与测量设备无关的量子安全直接通信方法，其特征在于，所述第一纵向动量自由度包括：
其中，F表示第一纵向动量自由度，l表示光子处于平面左边的状态，r表示光子处于平面右边的状态。
8.根据其权利要求4所示的一种基于多自由度的与测量设备无关的量子安全直接通信方法，其特征在于，所示表示第二纵向动量自由度包括：
其中，S表示第二纵向动量自由度，I表示光子处于平面内圈的状态，E表示光子处于平面外圈的状态。

说明书全文

基于多自由度的与测量设备无关的量子安全直接通信方法

技术领域

[0001] 本发明涉及量子通信技术，尤其涉及一种基于多自由度的与测量设备无关的量子安全直接通信方法。

背景技术

[0002] 量子安全直接通信(QSDC)是量子通信领域一个十分重要的分支，与量子密码学不同的是，QSDC能够实现信息的安全传输而不是只能实现通信双方共享安全的密钥。2002年，龙桂鲁教授等人首次提出了QSDC的概念。然而在实际应用的量子通信系统中，由于器件的不完美性，QSDC系统还存在着许多漏洞，窃听者会利用这些漏洞来实现各种攻击并且在不被发现的情况下获取安全的信息。在诸多攻击方式中，探测器侧攻击最为频繁。

[0003] 为了解决探测器侧攻击的问题，2012年Lo等人首先提出了测量设备无关的量子密钥分发协议(MDI-QKD)，与之前的协议很大不同的是光子的探测有第三方来处理并且第三方可以是不可信任的。MDI-QKD首先解决了针对探测器端的所有攻击，因此成为了近年来研究的热点。最近，基于测量设备无关的量子安全直接通信(MDI-QSDC)也被提出来了，同样地能够解决针对QSDC的探测端的所有攻击。

[0004] 目前，MDI-QSDC的研究主要针对单自由度，对三个自由度的MDI-QSDC还没有人进行探讨。

发明内容

[0005] 针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于多自由度的与测量设备无关的量子安全直接通信方法，以解决现有技术中存在的传输过程中安全性不高的问题。

[0006] 为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

[0007] 一种基于多自由度的与测量设备无关的量子安全直接通信方法，包括以下步骤：

[0008] 制备发送用户和接收用户的量子态；

[0009] 对所述发送用户和接收用户的量子态进行超纠缠贝尔态测量，获取错误比特率；

[0010] 根据所述错误比特率和误码率门限判断是否存在窃听，若不存在，则对所述发送用户的量子态进行编码；

[0011] 对所述编码后的量子态进行安全检测，判断所述编码后的量子是否存在窃听，若不存在则由接收用户获取发送用户的编码。

[0012] 进一步的，所述发送用户的量子态包括纠缠态和单光子态；所述接受用户的量子态包括单光子态。

[0013] 进一步的，所述量子态的自由度为3。

[0014] 进一步的，所述单光子态的表达式如下所示：

[0015]

[0016] 其中，ζ表示单光子态，P表示极化自由度，F表示第一纵向动量自由度，S表示第二纵向动量自由度。

[0017] 所述纠缠态的表达式如下所示：

[0018]

[0019] 其中，H、V分别表示光子的水平和垂直偏振；l和r分别表示光子处于平面左边和右边；I和E分别表示光子处于平面内圈和外圈；下标1表示被编码的光子和2表示进行贝尔态测量的光子。

[0020] 进一步的，所述超纠缠贝尔态的表达式如下：

[0021]

[0022]

[0023]

[0024]

[0025]

[0026]

[0027]

[0028]

[0029] 其中，P表示极化自由度，F表示第一纵向动量自由度，S表示第二纵向动量自由度；H和V分别表示光子的水平和垂直偏振；l和r分别表示光子处于平面左边和右边；I和E分别表示光子处于平面内圈和外圈，表示两个光子不同的贝尔态，φ表示两个光子相同的贝尔态。

[0030] 进一步的，所述极化自由度包括：

[0031]

[0032] 其中，P表示极化自由度，H表示光子的水平偏振状态，V表示光子的垂直偏振状态。

[0033] 进一步的，所述第一纵向动量自由度包括：

[0034]

[0035] 其中，F表示第一纵向动量自由度，l表示光子处于平面左边的状态，r表示光子处于平面右边的状态。

[0036] 进一步的，所示表示第二纵向动量自由度包括：

[0037]

[0038] 其中，S表示第二纵向动量自由度，I表示光子处于平面内圈的状态，E表示光子处于平面外圈的状态。

[0039] 与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

[0040] 本发明提供的基于多自由度的与测量设备无关的量子安全直接通信方法，用于在MDI-QSDC中传输单光子三个自由度的量子态，本发明中利用单光子的三个自由度进行编码信息，有效地提高了信息传输效率及信道容量，获得安全信息后进行误码率分析，确保了传输过程的可靠性和安全性。附图说明

[0041] 图1为本发明的通信流程图；

[0042] 图2为本发明的原理图；

[0043] 图3为本发明的三个自由度单光子生成原理图。

具体实施方式

[0044] 为了加深对本发明的认识和理解，下面结合附图和具体实施方式进一步介绍该协议：

[0045] 为了提高MDI-QSDC的信道容量，提出了一种基于多自由度的与测量设备无关的量子安全直接通信方法。采用该方法，有效地提高了信息传输效率和信道容量，同时也确保了传输过程的可靠性和安全性。

[0046] 本发明利用极化、双空间三个自由度的量子态结合MDI-QSDC的思想，在此基础上进一步提高了信道容量与传输信息的有效性。

[0047] 本发明中需要用到超纠缠贝尔态测量技术。首先介绍贝尔态测量，对于两个单自由度粒子的量子系统，存在下面4个量子态：

[0048]

[0049]

[0050] 即为贝尔态。其中H表示光子的水平偏振态，V表示光子的垂直偏振态。贝尔态构成四维希尔伯特空间的完备正交基。利用贝尔态对任意俩粒子态进行测量，成为贝尔态测量。

[0051] 如图1、图2、图3所示，一种基于多自由度的与测量设备无关的量子安全直接通信方法，该方法包含以下步骤：

[0052] 步骤1：发送用户制备一种特定的三个自由度的纠缠态和随机三个自由度的单光子态，接收用户仅随机制备三个自由度的单光子态；

[0053] 步骤2：用户制备完成后将态通过量子信道发送给第三方测量装置。第三方测量装置进行超纠缠贝尔态测量并公布测量结果；

[0054] 步骤3：发送用户和接收用户根据第三方测量结果来检测错误比特率，如果错误比特率超过了误码率门限，说明存在窃听，因此放弃此次通信过程，否则继续进行下一步骤；

[0055] 步骤4：发送用户根据需要发送的信息对量子态进行相应的编码；

[0056] 步骤5：发送用户编码完成后将量子态通过量子信道发送给第三方测量装置。第三方测量装置根据接收用户的所提供的信息将量子态在三个自由度上的基均转变成Z基并进行测量，测量完成后公布测量结果；

[0057] 步骤6：发送用户拿出一部分编码后的量子态作为测试比特，如果错误比特率超过了误码率门限，说明存在窃听，因此放弃此次通信过程，否则接收用户即可推断出发送用户所编码的信息，完成此次信息的安全传输。

[0058] 步骤1：发送用户制备一种特定的三个自由度的纠缠态和随机三个自由度的单光子态，接收用户仅随机制备三个自由度的单光子态；

[0059] 随机三个自由度的单光子态可以写成如下形式：

[0060]

[0061] 其中，ζ表示单光子态，P表示极化自由度，包括H是光子的水平偏振状态，V是光子
的垂直偏振状态；F表示第一纵向动量自由度，包括
l表示光子处于平面左边的状态，r表示光
子处于平面右边的状态；S表示第二纵向动量自由度，包括
I表示光子处于平面内圈的状态，E表示
光子处于平面外圈的状态。特定的三个自由度的纠缠态可以写成：

[0062]

[0063] 其中，H和V属于极化自由度，分别表示光子的水平和垂直偏振；l和r属于第一纵向动量自由度，分别表示光子处于平面左边和右边；I和E属于第二纵向动量自由度，分别表示光子处于平面内圈和外圈；下标1表示被编码的光子和2表示进行贝尔态测量的光子。

[0064] 步骤2：用户制备完成后将态通过量子信道发送给第三方测量装置。第三方测量装置进行超纠缠贝尔态测量并公布测量结果；

[0065] 在超纠缠贝尔态测量中，存在如下64个超纠缠贝尔态：

[0066]

[0067]

[0068]

[0069]

[0070]

[0071]

[0072]

[0073]

[0074] 其中，P表示极化自由度，F表示第一纵向动量自由度，S表示第二纵向动量自由度；H和V属于极化自由度，分别表示光子的水平和垂直偏振；l和r属于第一纵向动量自由度，分别表示光子处于平面左边和右边；I和E属于第二纵向动量自由度，分别表示光子处于平面内圈和外圈。

[0075] 每个超纠缠贝尔基态都是双粒子体系的最大纠缠态，利用超纠缠贝尔基对任意两粒子实施正交测量，称为超纠缠贝尔态测量。超纠缠贝尔态测量可以完全区分64个贝尔态。第三方测量装置进行超纠缠贝尔态测量后公布测量结果。通过公布的测量结果，接收用户即可推算出发送用户尚未编码的态的具体信息。假设接收用户的初始态为若第三方的测量结果为则接收用户即可推算出发
送用户的光子处于态。

[0076] 步骤3：通信双方根据第三方测量结果来检测错误比特率，如果错误比特率超过了误码率门限，说明存在窃听，因此放弃此次通信过程，否则继续进行下一步骤；

[0077] 步骤4：发送用户根据需要发送的信息对量子态进行相应的编码；

[0078] 假设发送用户想发送信息0，则用I进行编码，若想发送信息1，则用iσy进行编码。因为极化自由度和双空间自由度是相互独立的，所以在三个自由度上的编码操作是相同的。例如，发送用户发送信息101，则在单光子上进行操作用于编码。

[0079] 步骤5：发送用户编码完成后将量子态通过量子信道发送给第三方测量装置。第三方测量装置根据接受用户的所提供的信息将量子态在三个自由度上的基均转变成Z基并进行测量，测量完成后公布测量结果；

[0080] 接收用户经过步骤2已经推算出发送用户编码前的态，因此，接收用户将发送用户的态的基告诉第三方测量装置，第三方测量装置根据基进行相应的变换。比如接收用户公布某个光子三个自由度上的基为X基，Z基，Z基，则第三方测量装置使用操作进行变换，其中H是Hadamard门。变换后该光子三个自由度上的基均处于Z基的状态，然后第三方测量装置使用进行测量，公布结果。

[0081] 步骤6：发送用户拿出一部分编码后的量子态作为测试比特，如果错误比特率超过了误码率门限，说明存在窃听，因此放弃此次通信过程，否则接收用户即可推断出发送用户所编码的信息，完成此次信息的安全传输。

[0082] 我们利用了单光子三个自由度的量子态以及超纠缠贝尔态分析从而达到64个贝尔态的完全区分，极大地提高了信道容量。

[0083] 我们用一部分编码后的量子态作为测试比特来检测错误比特概率，确保了传输过程的可靠性和安全性。

[0084] 以上对本申请进行了详细介绍，本发明中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐释，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及核心思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明不应理解为对本申请的限制。

标题	发布/更新时间	阅读量
基于啁啾的连续变量量子密钥分发方法及分发系统	2020-05-13	287
一种基站控制系统及方法	2020-05-14	593
基于七比特量子信道的联合远程态制备方法	2020-05-15	962
量子密钥分发方法及设备	2020-05-11	654
基于角动量的无线通信加密方法	2020-05-12	341
基于信宿锚的隐私安全编码方法	2020-05-11	191
一种用于纠正大频偏的广义频分复用时频同步方法	2020-05-11	469
一种量子保密查询方法及系统	2020-05-14	1032
基于频谱域的大气湍流光信道共享随机比特提取方法	2020-05-13	78
基于量子加密的空中发证方法及系统	2020-05-15	895

基于多自由度的与测量设备无关的量子安全直接通信方法

基于多自由度的与测量设备无关的量子安全直接通信方法

技术领域

背景技术

发明内容

具体实施方式

该功能需要专业版企业版VIP权限，您可以：