一种基于四粒子簇态的受控量子安全直接通信方法

摘要

本发明公开了一种基于四粒子簇态的受控量子安全直接通信方法，Alice和Bob分别为量子通信过程中合法的信息发送方和接收方，Charlie为可信的方案控制方；信道安全性使用随机插入单光子进行测量基比对检测，在检测安全后开始通信；Alice将制备四粒子团簇态进行两两分组后，将发送信息与伪随机序列进行异或操作后通过幺正变换编码在Alice所保留的两个粒子上。Alice对自身保留粒子对经过Bell基测量并将测量信息发送给Bob，Bob经过比对测量信息后通过Charlie发送的初始态恢复出原始序列。本发明所使用的四粒子团簇态具有比较好的纠缠、连通性和抗破坏性，方法中的接收者Bob只有得到控制方Charlie的允许才能恢复原始信息，能够有效防止信息在传输过程的攻击，并且实现过程简单。

权利要求

1.一种基于四粒子簇态的受控量子安全直接通信方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，发送方和接收方设计相同结构的序列产生器，控制方设定所述的序列产生器的初始态；控制方将所述的初始态发送给发送方，发送方根据初始态产生伪随机序列并制备四粒子簇态；

步骤二，发送方将步骤一制备的四粒子簇态分为两组S1和S2，发送方保留其中的两个粒子，将另外两个粒子发送给接收方；

步骤三，发送方在序列S2中随机插入单光子作为检测粒子，将插入单光子后的序列作为检测序列S2′，并记录检测粒子的位置信息，保留制备单光子所使用的测量基序列，将S2′通过量子信道发送给接收方；

接收方收到序列后，发送方再将检测序列中检测粒子的位置信息通过经典信道发送给接收方，接收方根据所述的位置信息对对应位置的单光子进行测量，然后将测量使用的测量基序列通过经典信道返回给发送方，具体包括：接收方对相应的单光子位置随机选取Z基{|0> ,|1> }和X基 {|+> ,|->} 进行 测量，其中 Z基和X 基满足运 算发送方将接收方发来的测量基序列和发送方保留的测量基序列进行比对分析，如果错误率大于设定的安全阈值，则信道不安全，终止此次通信；否则信道安全，执行步骤四；

步骤四，若信道安全，发送方将要发送的原始信息序列M按照每1023位进行分组，并将分组后的序列与所述的伪随机序列进行异或操作后作为发送序列S；选择不同的幺正变换组合对其保留的两个粒子进行本地局域幺正变换，将发送序列S编码在量子态上，其中所述的本地局域幺正变换具体为I＝|0><0|+|1><1|，X＝|0><1|+|1〉〈0|，其中I表示比特不变，X表示比特翻转；

步骤五，发送方将编码后的量子系统进行Bell基测量，接收方对自身持有的两个粒子构成系统进行Bell基测量，并记录测量结果；

所述的量子系统由两个或两个以上的纠缠粒子构成；

步骤六，发送方将其测量结果作为经典信息通过经典信道发送给接收方；

步骤七，接收方结合自身的测量结果和发送方发来的测量结果，判断发送方选取了哪种幺正操作，从而恢复出发送序列；

步骤八，控制方将序列产生器的初始态发送给接收方，接收方利用所述的初始态产生与发送方相同的伪随机序列进行异或解密操作，恢复出原始信息。

2.如权利要求1所述的一种基于四粒子簇态的受控量子安全直接通信方法，其特征在于，所述的步骤一中，序列产生器设计为10级，初始值为1023位。

3.如权利要求1所述的一种基于四粒子簇态的受控量子安全直接通信方法，其特征在于，所述步骤一中，所述发送方所制备的四粒子簇态表示为：其中，簇态的四粒子分别用a1、a2、a3和a4来表示，|ψ>4表示四粒子的纠缠态矢。

4.如权利要求1所述的一种基于四粒子簇态的受控量子安全直接通信方法，其特征在于，所述的步骤三中，接收方对相应的单光子位置随机选取Z基{|0>,|1>}和X基{|+>,|->}进行测量，其中Z基和X基满足运算

5.如权利要求1所述的一种基于四粒子簇态的受控量子安全直接通信方法，其特征在于，所述的步骤四中，本地局域幺正操作具体表示为：I＝|0><0|+|1><1|，X＝|0〉〈1|+|1><0|

其中幺正变换I表示比特不变，X表示比特翻转。

6.如权利要求1所述的一种基于四粒子簇态的受控量子安全直接通信方法，其特征在于，所述的步骤五中，对编码后的量子系统进行Bell基测量时，Bell基表示为

说明书

一种基于四粒子簇态的受控量子安全直接通信方法

技术领域

[0001] 本发明属于量子安全通信技术领域，具体涉及一种基于簇态的受控量子安全直接通信(CQSDC)方法。

背景技术

[0002] 量子通信利用量子力学原理进行信息传输和处理，具有高安全、高容量等优点。量子安全直接通信在量子信道中直接传输秘密信息，是一种新式的量子通信模式，近年来得到了迅速的发展。

[0003] 文献1“Li Songsong,Nie Yiyou,Hong Zhihui,Yi Xiaojie,Huang Yibin,Controlled Teleportation Using Four-Particle Cluster State[J].Communication Theory Phys,2008,50(9):633-636.”提出了一种基于四粒子簇态可控信息传送方案。在该方案中，分别将单光子态或者纠缠双量子态的量子信息通过四粒子簇态从发送方传输到接收方。该方案在粒子分发阶段，控制方保留簇态中的一个量子比特。在量子比特发送前，需要同时对控制方和接收方的量子信道进行安全性检测，从而使得检测阶段变得复杂。

[0004] 文献2“Shima Hassanpour,Monireh Houshmand,Efficient controlled quantum secure  direct  communication  based  on GHZ-like states,Quantum InformationProcessing,2015,14(2):739.”提出了一种基于三粒子GHZ态的三方受控量子安全直接通信方案。该方案中，使用的GHZ态一旦测量，纠缠特性就被破坏。此方案在粒子分发阶段，发送方给接收方和控制方均发送三粒子GHZ态中的一个粒子，单粒子在信道中传输更容易受到窃听者的纠缠攻击，从而进行信息窃取。

发明内容

[0005] 针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于，提供一种基于四粒子簇态的受控量子安全直接通信方法，具有更高的通信效率。

[0006] 为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

[0007] 基于四粒子簇态的受控量子安全直接通信方法，包括以下步骤：

[0008] 步骤一，发送方和接收方设计相同结构的序列产生器，控制方设定所述的序列产生器的初始态；控制方将所述的初始态发送给发送方，发送方根据初始态产生伪随机序列并制备四粒子簇态；

[0009] 步骤二，发送方将步骤一制备的四粒子簇态按照每2bit分为两组S1和S2，一个粒子携带1bit信息，发送方保留其中的两个粒子，将另外两个粒子发送给接收方；

[0010] 步骤三，发送方在序列S2中随机插入单光子作为检测粒子，将插入单光子后的序列作为检测序列S2′，并记录检测粒子的位置信息，保留制备单光子所使用的测量基序列，将插入了单光子的序列S2′通过量子信道发送给接收方；接收方收到序列后，发送方再将检测序列中检测粒子的位置信息通过经典信道发送给接收方，接收方根据所述的位置信息对对应位置的单光子进行测量，然后将测量使用的测量基信息通过经典信道返回给发送方，发送方将接收方发来的测量基序列和发送方保留的测量基序列进行比对分析，如果错误率大于设定的安全阈值，则信道不安全，终止此次通信；否则信道安全，执行步骤四；

[0011] 步骤四，若信道安全，发送方将原始信息M序列进行分组，并将分组后的序列与步骤一所述的伪随机序列进行异或操作后的序列作为发送序列S；选择不同的幺正变换组合对其保留的两个粒子进行本地局域幺正变换将发送序列S编码在量子态上；

[0012] 步骤五，发送方将编码后的量子系统进行Bell基测量，接收方对自身持有的两个粒子构成系统进行Bell基测量，并记录测量结果；

[0013] 步骤六，发送方将其测量结果作为经典信息通过经典信道发送给接收方；

[0014] 步骤七，接收方结合自身的测量结果和发送方发来的测量结果，判断发送方选取了哪种幺正操作，从而恢复出发送序列；

[0015] 步骤八，控制方将序列产生器的初始态发送给接收方，接收方利用所述的初始态产生与发送方相同的伪随机序列进行异或解密操作，恢复出原始信息。

[0016] 进一步地，所述的步骤一中，序列产生器设计为10级，初始值为1023位。

[0017] 进一步地，所述的步骤一中，所述Alice所制备的四粒子团簇态表示为：

[0018]

[0019] 其中，簇态的四粒子分别用a1、a2、a3和a4来表示，|ψ>4表示四粒子的纠缠态矢。

[0020] 进一步地，所述的步骤三中，接收方对相应的单光子位置随机选取Z基{|0>,|1>}和X基{|+>,|->}进行测量，其中Z基和X基满足运算：

[0021]

[0022] 进一步地，所述的步骤四中，本地局域幺正操作具体表示为：

[0023] I＝|0><0|+|1><1|，X＝|0><1|+|1><0|

[0024] 其中幺正变换I表示比特不变，X表示比特翻转。

[0025] 进一步地，所述的步骤五中，对编码后的量子系统进行Bell基测量时，Bell基表示为：

[0026]

[0027] 本发明具有以下技术特点：

[0028] 1.本发明所使用的团簇态具有对其中任意一个粒子进行操作后，剩余粒子仍能保持纠缠态的特点。

[0029] 2.本发明伪随机序列的产生是使用线性移位寄存器的非线性结构来实现，与往常的线性结构相比，所产生的序列周期长、随机性能好、序列不可逆，且拥有较低的截获频率，提升了方案的安全性。

[0030] 3.本发明中接收方要恢复出原始信息需要得到发送方的测量结果和自己测量结果来共同恢复出原始信息，具有更高的安全性。

[0031] 4.本发明在伪随机序列制备、接收方Bob译码时均需要通过可信控制方Charlie的允许，进一步提升了方案的安全性。

附图说明

[0032] 图1为本发明方法的流程图；

具体实施方式

[0033] 以往通信常用的量子态包括Bell态，GHZ态和W态，本方案采用四粒子簇态。由于簇态有更好的持续纠缠特性使得自身关联结构稳定，即使被测量，纠缠特性也不容易被破坏，也不易被退相干效应干扰，所以用基矢对团簇态的任意两个粒子进行测量，则剩余两粒子投影到一个Bell态，继续保持纠缠状态。因此在这样的加密方案中Alice没有借助纠缠交换，而是将量子态经过局域幺正操作并将测量后的经典比特串发送给合法接收者，而接收者只有得到控制方Charlie的允许才能恢复原始信息，进一步提升了通信过程的安全性。

[0034] 假定Alice和Bob分别为量子通信过程中合法的发送方和接收方，Charlie为可信的方案控制方，负责制定序列产生器的初始值。Alice和Bob双方都利用同一结构的序列产生器在相同初始状态的情况下产生相同的伪随机序列，实际应用中，可以通过设定初始值，使用线性移位寄存器的非线性结构电路实现伪随机序列的制备。具体设计规律是：构造一个n级的序列发生器，首先要确定移位寄存器的级数为n。例如，通过构造一个最高次数n＝10 9 8 7 6 5 4 3 2 1
10的本原多项式f(x)＝c10x +c9x+c8x+c7x+c6x+c5x+c4x+c3x+c2x+c1x ，则产生伪随机序列的周期为p＝210-1＝1023。根据本原多项式中每一项的系数ci来确定移位寄存器的输出级是否需要引入加法器反馈给前级。通过对多个随机序列发生器的结果进行逐级异或输出，就形成非线性结构的随机序列发生器的输出结果。本发明方案具体介绍如下：

[0035] 步骤一，准备阶段

[0036] 发送方Alice和接收方Bob设计结构相同的线性移位寄存器的非线性组合序列发生器，控制方Charlie设定所述的序列产生器的初始态；控制方将所述的初始态发送给发送方，发送方根据初始态产生1023位的伪随机序列并制备四粒子簇态，表示为：

[0037]

[0038] 其中，簇态的四粒子分别用a1、a2、a3和a4来表示，其中|ψ＞4表示四粒子的纠缠态矢。

[0039] 步骤二，预处理阶段

[0040] 发送方将步骤一制备的四粒子簇态序列分为两组，分别为S1(a1,a3)和S2(a2,a4)；发送方保留其中的两个粒子序列，将另外两个粒子序列发送给接收方。即Alice自身保留粒子序列S1(a1,a3)，同时准备将粒子S2(a2,a4)发送给Bob。

[0041] 步骤三，信道检测阶段

[0042] 发送方在序列S2中随机插入单光子作为检测粒子，将插入了单光子的序列作为检测序列S2′，并记录检测粒子的位置信息，保留制备单光子所使用的测量基序列，将检测序列S2′通过量子信道发送给接收方；

[0043] 接收方完全接收到带有检测粒子的序列S2′后，发送方再将所述的检测粒子的位置信息通过经典信道发送给接收方，接收方根据所述发送方发来的检测粒子的位置信息对相应位置的单光子随机选取测量基进行测量，然后通过经典信道将测量使用的测量基序列(设计中默认其绝对安全)返回给发送方，发送方将接收方发来的测量基序列和发送方保留的测量基序列进行比对分析，如果错误率大于设定的安全阈值，则信道不安全，存在窃听者，终止此次通信；否则信道安全，执行步骤四。

[0044] 具体地，本实施例中，接收方对相应位置的单光子随机选取Z基{|0＞,|1>}和X基{|+>,|->}进行测量，其中Z基和X基满足运算：

[0045]

[0046] 步骤四，编码阶段

[0047] 若信道安全，发送方将要发送的原始信息序列M按照每1023位进行分组，并将分组后的序列与所述的伪随机序列进行异或操作后作为发送序列S；选择不同的幺正变换组合对其保留的S1(a1,a3)进行本地局域幺正变换，将发送序列S编码在量子态上，即就是将经典信息加载在量子态上；本实施方案中，局域幺正操作具体表示为：

[0048] I＝|0><0|+|1><1|，X＝|0><1|+|1><0|

[0049] 其中幺正变换I表示比特不变，X表示比特翻转。幺正变换对应粒子a1a3的幺正变换与经典信息序列对应关系为： 其中， 表示对态矢进行的直积计算，可以表示态矢之间的乘积关系。

[0050] 步骤五，测量阶段

[0051] 发送方将编码后的量子系统(两个或两个以上的纠缠粒子就构成一个量子系统)进行Bell基测量，接收方对自身持有的两个粒子a2,a4构成系统进行Bell基测量，并记录测量结果；

[0052] 具体地，对编码后的量子系统进行Bell基测量时，Bell基表示为：

[0053]

[0054] 此处可以将Bell基分解为 和 四种态矢，也就是Bell基测量后可能会是四种态矢中的任意一种。

[0055] 步骤六，发送方将其测量结果作为经典信息通过经典信道发送给接收方；

[0056] 步骤七，接收方Bob结合自身Bell基检测的测量结果和发送方发来的测量结果，根据对应关系判断发送方选取了哪种幺正操作，从而恢复出发送序列S。具体对应关系如表1。

[0057] 表1 协议中的测量结果

[0058]

[0059]

[0060] 例如，Alice的测量结果为00时，Bob测量结果为00，则使用了幺正变换II，恢复发送序列00；Bob测量结果为11，则使用了幺正变换XX，恢复发送序列01；Bob测量结果为01，则使用了幺正变换XI，恢复发送序列10；Bob测量结果为10，则使用了幺正变换IX，恢复发送序列11。

[0061] 步骤八，后处理阶段

[0062] 接收方最终要恢复出原始信息M，必须经过控制方Charlie的允许得到序列产生器的初始态。控制方将序列产生器的初始态发送给接收方，接收方利用所述的初始态产生与发送方在步骤一产生的相同的随机序列，并将上一步恢复出的1023位发送序列S与伪随机序列进行异或解密操作，恢复出原始信息M。

[0063] 为了验证本发明的有效性，具体对本发明的安全性和效率进行了分析。在安全性检测中，主要分为四种攻击：拒绝服务攻击、测量重发攻击、截获重发攻击、控制方攻击。效率分析过程主要是通信传输效率和量子比特利用率的计算。

[0064] 以下是对本发明的安全性分析：

[0065] 拒绝服务攻击：当窃听者Eve不窃取信息只是恶意破坏传输的量子态时，由于量子的不可测量特性，Eve在此过程必定会引起一定的干扰，这就使得合法通信双方就会发现窃听者的存在。

[0066] 测量重发攻击：Eve随机选取测量基对发给Bob的部分粒子进行测量。首先，Eve测量的只是没有携带任何信息的簇态中的两个粒子，所以即便Eve选对了测量基，也不能得到任何信息。测量Bell态粒子并重发引起的检测粒子错误率为1/4。所以，每位的量子态对应发生错误的概率是1/4。Eve按位测量就一定会产生错误，而Bob在后面的检测阶段就会发现Eve的存在。

[0067] 截获重发攻击：Eve捕获部分粒子，然后将自己提前准备好的量子态发给Bob。因为Bell基测量的Bell态有四种可能，Alice和Bob对应其中的一种，Eve截获的Bell态粒子并重发引起的检测粒子错误率为1/4。所以，每位的量子态对应发生错误的概率是1/4。Eve按位测量就一定会产生错误，而Bob在后面的检测阶段就会发现Eve的存在。同样，截获重发攻击在之后的Bob检测阶段会被发现。

[0068] 控制方攻击：在通信过程中，若窃听者Eve对控制方Charlie进行了攻击，仅能够窃取随机序列产生器的初始态。窃听中，Eve并不知道随机序列产生器的结构，所以无法恢复随机序列，即使恢复了随机序列，由于量子信道的安全性保证，也无法恢复原始信息序列。

[0069] 以下是对本发明的效率分析：

[0070] 本方案的量子通信传输效率： 因为在编码时1qubit对应携带1bit信息，所以量子比特利用率：

[0071] 本发明的效果：使得基于四粒子簇态的CQSDC方案在面对测量重发攻击、截获重发攻击、拒绝服务攻击以及控制方攻击对Eve的窃听均能够实现有效对抗。另外，本发明引入可信的控制方Charlie，可以更大的改进通信过程的安全性。对原始信息进行加密操作，即使Eve截取了部分光子，并在相同的测量基下进行了正确测量，但是由于他无法获取异或序列，仍然不能够恢复原始信息。使用幺正变换对序列进行编码并不会携带原始信息，更能防止系统在传输过程的攻击，并且实现过程简单。