[发明专利]一种基于GHZ态的半量子安全直接通信方法

权利要求书

1.一种基于GHZ态的半量子安全直接通信方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤一：初始准备阶段，分发半量子秘钥、制备n比特的三粒子GHZ态

步骤1.1：参与者之间分发半量子秘钥，Alice与Bob共享秘钥k_AB，k_AB由SQKD协议产生；

步骤1.2：Alice准备n比特的三粒子GHZ态|W_abc，原消息记为m，m＝{m₁，…m_i，…m_n}，并且m_i∈{0，1}，i＝1，2，…，n；

步骤二：编码并传输信息阶段

步骤2.1：Alice将秘钥k_AB与原消息m异或形成一个新序列记为并且M∈{0，1}；

步骤2.2：当M＝1，Alice使用泡利算子σ₀对三粒子GHZ态|W_abc的粒子b进行变换，当M＝0，Alice使用泡利算子σ_x对三粒子GHZ态|W_abc的粒子b进行变换，|W_abc可表示为：

粒子b经过泡利算子σ_x变换后的|W_abc表示为：

σ₀|W_abc＝|W_abc

步骤2.3：Alice将|W_abc分成3个子序列|W_A，|W_B，|W_C，Alice保留粒子序列|W_A，并且使用Z-基测量粒子序列|W_A得到测量结果记录为R_A，R_A∈{0，1}；Alice将秘钥k_AB与R_A异或形成一个新序列记为并且R₁∈{0，1}；同样的，当R₁＝1，Alice使用泡利算子σ₀对三粒子GHZ态|W_abc的粒子c进行变换，当R₁＝0，Alice使用泡利算子σ_x对三粒子GHZ态|W_abc的粒子c进行变换得到新的序列|W_CC，Alice复制|W_CC的序列并记为R₂；

|W_A＝{|W₁(a)，|W₂(a)，|W₃(a)，…，|W_n(a)}

|W_B＝{|W₁(b)，|W₂(b)，|W₃(b)，…，|W_n(b)}

|W_C＝{|W₁(c)，|W₂(c)，|W₃(c)，…，|W_n(c)}

步骤2.4：Alice将两个序列|W_B与|W_CC随机混合形成一个新的序列{|W_B，|W_CC}，并且将长度为2l的诱饵态粒子{|0，|1，|+，|-}分别随机插入序列{|W_B，|W_CC}内，形成新序列{|W_B′，|W_CC′}，最后Alice将{|W_B′，|W_CC′}发送给Bob；

步骤三：窃听检测阶段

步骤3.1：Bob接收到{|W_B′，|W_CC′}之后告知Alice自己已经收到消息，然后，Alice告知Bob诱饵态粒子序列{|0，|1，|+，|-}的在消息序列{|W_B′，|W_CC′}中相应的位置，Bob将相应位置上的诱饵态粒子进行随机重排后直接反射给Alice，其中{|0，|1}表示Z-基，{|+，|-}表示X-基；

步骤3.2：Alice接收到位置被重新排列的诱饵态粒子序列后，Bob告知正确的位置信息，接下来，Alice使用相对应的Z-基和X-基测量诱饵态序列并与其初始状态比较，如果对诱饵态粒子序列检测后的错误率小于一个固定值，则协议继续，否则停止协议的进行；

步骤3.3：移除诱饵态粒子序列后，Bob得到混合的序列{|W_B，|W_CC}；

步骤3.4：Alice告知Bob关于两个序列|W_B与|W_CC的相对应的位置信息，随后Bob可以从混合序列{|W_B，|W_CC}中分别恢复出粒子序列|W_B与|W_CC；

步骤3.5：Bob使用相对应的Z-基测量粒子c序列|W_CC，得到测量结果记为R_2′；然后Bob测量结果R_2′向Alice公布，Alice与R₂比较，如果R_2′＝R₂，则确定传输消息过程中无窃听者窃听，协议继续，否则停止；

步骤四：解码阶段，第二次窃听检测并恢复出被传输的原消息；

步骤4.1：经过步骤三的一系列窃听检测之后，Bob使用相对应的Z-基测量粒子b序列|W_B，得到测量结果记为R_B；

步骤4.2：由于Alice与Bob共享秘钥k_AB，Alice公布R₁的测量结果，所以Bob可以通过将测量结果R₁与秘钥k_AB执行异或操作恢复出Alice的粒子序列测量结果R_A；然后，Bob可以通过R_A和R_B的测量结果进行对比，按照编码规则，R_A和R_B的值相同，则M′＝1，R_A和R_B的值不相同，则M′＝0，最终Bob可以通过将测量结果M′与秘钥k_AB执行异或操作恢复出Alice发送的原消息记为m′，即

步骤4.3：Alice对原消息m进行哈希函数h(·)变换得到结果为h(m)，同样的，Bob对得到的原消息m′也进行哈希变换得到结果为h(m′)；

步骤4.4：如果h(m′)＝h(m)，则Bob认为m′就是Alice发送给自己的原消息，否则协议停止并且传输的秘密消息m′也会被Bob认为无效。