[发明专利]多自由度超编码的设备无关量子安全直接通信方法

权利要求书

1.一种多自由度超编码的设备无关量子安全直接通信方法，其特征在于，所述通信方法包括以下步骤：

S1，用户Alice制备N个有序的极化和空间自由度的超纠缠光子对，将N个超纠缠对分成C序列和M序列两个光子序列；用户Alice将C序列中的所有光子依次通过量子信道发送给用户Bob；用户Bob收到光子后，通过经典信道通知用户Alice，双方将各自的光子存储到量子存储器中；

S2，用户Bob从C序列中随机选择一个光子子集，通过经典通道将其顺序位置公开给用户Alice：双方将安全性检测光子从量子存储中提取出来在两个自由度上进行第一轮设备无关安全性检查；若任何一个自由度的安全性检测没有通过，则双方终止通信，若两个自由度的安全性检测都通过，则转入步骤S3；

S3，用户Alice从量子存储器中取出M序列的光子，随机从M序列光子中选择一个光子子集作为第二轮安全性检查光子，不对其执行任何操作；对其余的光子，在两个自由度上使用幺正操作对其进行编码；

S4，用户Alice将M光子序列中的光子顺序打乱，并记录每个光子在原始M序列中的位置；用户Alice将打乱顺序后的M序列发送给用户Bob，光子传输完成后，用户Alice通过授权的经典信道公开原始M序列中每个光子的位置以及安全检测光子的位置；

S5，用户Bob将所有光子存储到量子存储设备中，根据用户Alice的指示恢复原始M序列，再从存储器中提取出安全检测光子，独自在两个自由度上进行第二次设备无关安全性检测；若任何一个自由度的安全性检测未通过，则终止通信，若两个自由度的安全性检测都通过，则转入步骤S6；

S6，用户Bob提取出所有编码光子对，通过超纠缠贝尔态分析，得到编码后两个自由度的贝尔态，通过与原贝尔态相比，得到两个自由度的编码信息；

步骤S1中，用户Alice将所有位于a′₁和a′₂这两个空间模式的光子发送到用户Bob，a′₁和a′₂分别对应Bob方的b₁和b₂空间模式，得到双方在空间模式下共享的新的四个贝尔态为：

步骤S5中，两个自由度的安全性检测都由Bob独立完成；若认为第二轮光子传输安全，否则，认为第二轮光子传输不安全；

在确认第二轮光子传输安全的情况下，根据下述公式估算窃听者在第二轮光子传输过程中从两个自由度所能窃听到的最大光子数比率I_AE2p和I_AE2s为：

式中，S_2s＞S_2p，第二轮光子传输过程中窃听者能窃听到的最大光子数比率为

估算两个自由度信息的泄漏率I_AEp和I_AEs的上界均为：

第二次光子传输完成后两个自由度的总错误率(Q_ts，Q_tp)为：

Q_tp＝Q_b2p+Q_p2p；

Q_ts＝Q_b2s+Q_p2s；

根据两自由度的总错误率和信息泄漏率，通信双方估算两个自由度的实际安全信息容量(C_sp，C_ss)为：

总实际安全信息容量C_st为C_st＝C_sp+C_ss。

2.根据权利要求1所述的多自由度超编码的设备无关量子安全直接通信方法，其特征在于，步骤S1中，用户A1ice利用实际的纠缠源制备超纠缠光子对的量子态为其中，和分别属于下列极化自由度和空间自由度的四个贝尔态：

其中，p代表极化自由度，s代表空间自由度，|H和|V分别代表光子的水平极化和垂直极化，a₁、a₂、a′₁和a′₂均表示空间模式。