[发明专利]抗集体退相位噪声的错误容忍信道加密量子对话协议

说明书

技术领域

本发明涉及量子安全通信领域。本发明设计一种抗集体退相位噪声的错误容忍信道加密量子对话协议，达到量子对话抗信息泄露和噪声干扰的目的。

背景技术

量子密码的安全性是基于量子力学性质而非解决数学问题的计算复杂性，可被视为经典密码在量子力学领域的推广。量子密码首次诞生于Bennett和Brassard[1]在1984年的开创性工作。直到现在，它已经拓展为许多有趣的分支，如量子密钥分配(Quantum key distribution，QKD)[1-5]、量子秘密共享(Quantum secret sharing，QSS)[6-8]、量子安全直接通信(Quantum secure direct communication，QSDC)[9-20]等。众所周知，QSDC能够在远距离通信方之间直接传输秘密信息而无需首先建立随机密钥。尽管QSDC已经得到相当的发展，大多数QSDC协议[9-20]仅仅实现单向通信，即它们不能在不同通信方之间实现秘密比特的相互交换。在2004年，当他们独立提出量子对话(Quantum dialogue，QD)这一新概念时，Zhang等[21-22]和Nguyen[23]成功地弥补了这个缺陷。然而，那些早期的QD协议[21-33]总是具有信息泄露问题。这一问题是被Gao等[34-35]在2008年首次发现，产生于“经典相关”的存在[36]。这已经成为一个共识：解决QD的信息泄露问题的关键在于在所有通信方之间秘密共享初始量子态，如直接传输辅助量子态[37-40]、Bell态的相关提取性质[41]、两个Bell态纠缠交换后的测量相关性[42]以及量子加密共享[43]。

随着量子密码的发展，信道加密(量子加密)量子密码[44-51]这一特殊概念也被提出来。在信道加密量子密码中，不同通信方总是首先共享一个量子态序列作为他们可重复使用的量子私钥，然后利用它来对携带经典秘密比特的传输量子态进行加密和解密。量子加密思想已经被作者引入到QD中用于在通信双方间秘密共享初始量子态。[43]

在一个实际的传输过程中，由于光纤双折射的波动能改变光子的偏振状态，信道噪声不可避免。目前，许多量子密码协议仅仅适用于一个理想信道，如文献[21-33，37-43]中的那些QD协议。显然，怎样使量子密码协议能在一个噪声信道运作良好具有重要的意义。目前已经涌现出几种消除噪声影响的方法，如纠缠纯化[52]、量子纠错码(Quantum error correct code，QECC)[53]、单光子错误拒绝(Single-photon error rejection，SPER)[54]以及无消相干(Decoherence-free，DF)态[55-64]。前三个策略的缺陷是它们只能在如下假设下才有效：光子与环境之间的反应足够弱，而且光子以很低的概率被干扰。幸运地是，信道噪声可被建模为集体噪声，即如果几个光子同时在一个噪声信道传输或者它们空间上足够近，那么噪声对每个光子的改变是相同的。[59-60]因为DF态不受集体噪声影响，它们经常被用于抵抗这种噪声。

本发明提出一个抗集体退相位噪声的错误容忍信道加密QD协议。每个由两物理量子比特构成的DF态被用于抵抗集体退相位噪声。量子私钥能在集体退相位噪声信道被通信双方安全共享。通过利用量子私钥进行加密和解密，每个传输的两粒子逻辑量子比特的初态可被通信双方秘密地共享。然后，通信双方的秘密信息通过复合酉操作被编码在传输的两粒子逻辑量子比特上。由于量子加密共享每个传输的两粒子逻辑量子比特的初态，信息泄露问题被克服。只要旋转角度选择恰当，在旋转后量子私钥可被重复利用，从而节省了量子资源。这样，本发明协议的信息论效率几乎达到66.7％，远高于之前的抗噪声无信息泄露QD协议。在整个对话过程，除了安全检测外，本发明协议仅需要单粒子测量，所以它的量子测量在实际中便于执行。安全性分析表明，在对话过程中，一个窃听者不能得到关于秘密信息的任何有用信息而不被发现。

参考文献

[1]Bennett C H，Brassard G，Proceedings of the IEEE Intemational Conference on Computers，Systems and Signal Processing，Bangalore：IEEE Press，(1984)175

[2]Beruett C H，Brassard G，Mermin N D，Phys Rev Lett，68(1992)557

[3]Cabell A，Phys Rev Lett，85(2000)5635