[发明专利]一种基于量子纠缠数态压缩的量子密钥分发方法

说明书

本发明涉及量子密钥分发技术领域，具体公开了一种基于量子纠缠数态压缩的量子密钥分发方法，包括步骤：S1：在Alice端采用等距压缩矩阵将4ⁿ个纠缠贝尔态经n+1级压缩为数态|0＞或数态|1＞并共享至Bob端，n≥1；S2：Alice端和Bob端对共享的数态|0＞或数态|1＞采用等距解压矩阵进行逐级解压；S3：基于Alice端和Bob端之间的密钥协商，提取经n+1级解压后所得纠缠贝尔态所携带的经典信息。本发明采用等距压缩矩阵对量子纠缠贝尔态进行张量保迹压缩，可将经典信息更有效地编码为量子位，最大限度地减少了Alice和Bob之间量子通信所需的工作量，大大减少了需要传输的(压缩)量子比特数和存储，可解决BB84、Ekert91和BBM92协议中存在的低效率问题，还具有高编码容量，具有比BB84协议更好的安全性。

技术领域

本发明涉及量子密钥分发技术领域，尤其涉及一种基于量子纠缠数态压缩的量子密钥分发方法。

背景技术

1984年，Bennett和Brassard提出了第一个量子密钥分发(QKD)协议，即著名的BB84协议。BB84协议的两个主要优点是：(1)绝对安全；(2)实现(即量子信源制备及其测量)相对简单。BB84协议的主要缺点如下：(1)为了保护协议免遭窃听，Bob随机选择线性测量基或者对角测量基来测量收到的光子，这会导致一半传输的光子不能用于加密密钥的生成，少于50％的传输量子比特用于生成密码钥匙，量子比特的利用率很低；(2)两光子量子态只能传输一比特经典信息，即编码能力低；(3)为了获得一个光子的信息，Alice和Bob需要交换至少两比特经典信息。换句话说，Bob需要告诉Alice他为每个收到量子比特选择了什么测量基。Alice需要告诉Bob，哪些量子态他们使用的是相同的测量基。因此，总的比特信息传输速率低(大约25％)。

1991年，Ekert提出了第一个基于纠缠的QKD协议，即Ekert91协议。该协议中的窃听检测采用Bohm的版本的EPR实验和贝尔定理。Ekert91协议的主要优点是无论室内的噪音水平如何，都可以防止窃听量子通道。这是由量子力学保证的。Ekert91协议的缺点与BB84协议一样。但是Ekert91协议的安全性是通过分析贝尔不等式来论证的。因此，Alice和Bob需要在大量纠缠的粒子上执行多方向的单粒子测量。这部分(对于窃听检测)的测量结果不能是最终密钥，需要丢弃。同时，即使在理想情况，贝尔不等式的分析也比较麻烦。量子信道与量子之间的干扰通过它发送的信号/粒子会导致纠缠粒子产生退相干。这使得贝尔的不等式分析更加复杂。如果纠缠粒子完全退相干，则测量结果是完全随机的。换句话说，量子通信的安全性不能用贝尔不等式来论证。

1992年，Bennett、Brassard和Mermin提出了一个Ekert91协议的改进版本，称之为BBM92协议。与Ekert91协议不同，BBM92协议放弃了使用贝尔不等式分析的安全性分析。相反，它应用与BB84协议相同的安全分析。因此，BBM92和BB84协议具有相同的优势。

随后，许多新颖的QKD协议被提出。但目前为止，还没有一个QKD协议考虑如何减少量子比特的数量和需要的量子内存规模。需要注意的是量子比特和量子存储器是需要谨慎使用的昂贵资源，如何最大限度地减少Alice和Bob之间量子通信所需的工作量，提高通信效率，是本发明旨在解决的问题。

发明内容

本发明提供一种基于量子纠缠数态压缩的量子密钥分发方法，解决的技术问题在于：如何最大程度地减少量子比特的数量和需要的量子内存规模。

为解决以上技术问题，本发明提供一种基于量子纠缠数态压缩的量子密钥分发方法，包括步骤：

S1：在Alice端采用等距压缩矩阵将4ⁿ个纠缠贝尔态经n+1级压缩为数态|0或数态|1并共享至Bob端，n≥1；

S2：Alice端和Bob端对共享的数态|0或数态|1采用等距解压矩阵进行逐级解压；