[发明专利]基于Bell态和控制非操作的无信息泄露双向量子安全直接通信协议

摘要

本发明提出一种新颖的基于Bell态和控制非操作的无信息泄露双向量子安全直接通信协议。本发明协议首先发掘出Bell态进行控制非操作后产生的规律，即一个Bell态被施加控制非操作后，它会坍塌为两个没有任何纠缠的独立粒子。根据这一规律，通信制备方能够自动知道控制非操作后这两个独立粒子的状态。另一通信方利用X基或Z基测量也可以知道控制非操作后这两个独立粒子的状态。这样，通信双方能够秘密地共享控制非操作后这两个独立粒子的初态，使得没有任何信息泄露给Eve。本发明协议的信息论效率达到100％，比以往的无信息泄漏双向量子安全直接通信协议要高。本发明协议的另一个优点是仅需要进行单粒子测量。

主权项

1.一种基于Bell态和控制非操作的无信息泄露双向量子安全直接通信协议，挖掘出Bell态进行控制非操作后产生的规律，即一个Bell态被施加控制非操作后，它将会坍塌为两个没有任何纠缠的独立粒子；根据这一规律，通信制备方能够自动知道控制非操作后这两个独立粒子的状态，另一通信方利用X基或Z基测量也可以知道控制非操作后这两个独立粒子的状态，这样，通信双方能够秘密地共享控制非操作后这两个独立粒子的初态，使得没有任何信息泄露给Eve；共包括以下六个过程：S1)Bell态的制备：Alice制备N+δ₁+δ₂个随机处于四个Bell态之一的EPR对，其中N个EPR对用于秘密信息传输，δ₁+δ₂个EPR对用于安全性检测；{[P1(a),P1(b)],[P2(a),P2(b)],...,[Pn(a),Pn(b)],...,[PN+δ1+δ2(a),PN+δ1+δ2(b)]}]]>用来表示这N+δ₁+δ₂个EPR对，其中下标表示EPR对在序列中的顺序，a和b代表每个EPR对中的两个粒子；Alice从每个EPR对中取出粒子a组成序列A，即A=[P1(a),P2(a),...,Pn(a),...,PN+δ1+δ2(a)];]]>同样地，剩余的粒子组成序列B，即B=[P1(b),P2(b),...,Pn(b),...,PN+δ1+δ2(b)];]]>S2)第一次传送和第一次安全性检测：Alice把序列A发送给Bob；在Bob告诉Alice他已经收到序列A之后，Alice告诉Bob序列A中δ₁个检测粒子a的位置；Bob随机选择两组测量基(Z基{|0>，|1>}和X基{|+>，|->})之一来测量这δ₁个检测粒子a，并告诉Alice他的测量基和测量结果；Alice选择与Bob同样的测量基来测量相应的δ₁个检测粒子b；通过比较她自己的测量结果和Bob的测量结果，Alice可以断定量子信道是否安全；如果不存在窃听，他们的测量结果应当具有确定性关系，这样他们就执行下一步，否则，他们放弃本次通信并且从头开始；S3)第二次传送和第二次安全性检测：Alice(Bob)丢弃序列B(A)中的δ₁个检测粒子b(a)；然后Alice把序列B发送给Bob；在Bob通知Alice他已经收到序列B后，Alice告诉Bob序列A和B中δ₂个用于检测的EPR对的位置；Bob对这δ₂个用于检测的EPR对进行Bell基测量并且把测量结果告诉Alice；Alice通过比较这δ₂个用于检测的EPR对的初态和Bob的测量结果来判断量子信道是否安全；如果它们是相同的，那么量子信道就是安全的，这样他们继续下一步，否则，他们终止通信；S4)Bob的编码：在Bob丢弃δ₂个用于检测的EPR对后，他对剩余的N个EPR对施加控制非操作(以a为控制量子比特，以b作为目标量子比特)；Alice能自动知道控制非操作后的每个粒子a和每个粒子b的状态，既然她自己制备这N个EPR对；为了知道控制非操作后的每个粒子a(b)的状态，Bob进行X基(Z基)测量；根据他的X基(Z基)测量结果，Bob重新制备未进行过测量的新的粒子a(b)；然后Bob将这些新粒子a和b混合在一起组成序列C，即C＝[P₁(c)，P₂(c)，…，P_n(c)，…，P_2N(c)](c∈{a，b})，并且记录它们在序列C中的确切位置；然后，Bob通过对每个粒子c施加两个酉操作{I，iσ_y}中的一个来编码他自己的1比特秘密，这样，序列C就转变为序列C′，即C′={U1βP1(c),U2βP2(c),...,UnβPn(c),...,U2NβP2N(c)},]]>其中U1β,U2β,...,U2Nβ∈{I,iσy};]]>S5)第三次传送和第三次安全性检测：为了进行第三次安全性检测，Bob制备δ₃个随机处于四个量子态{|0>，|1>，|+>，|->}之一的用于检测的单粒子，并且将它们随机插入序列C′；然后，Bob将序列C′发送给Alice；在Alice通知Bob她已经收到序列C′后，Bob告诉Aliceδ₃个用于检测的单粒子的位置；然后，Bob告诉Alice测量这δ₃个用于检测的单粒子的准确测量基；Alice使用Bob告诉她的测量基测量这δ₃个用于检测的单粒子，并且把测量结果告诉Bob；通过比较这δ₃个用于检测的单粒子的初态和Alice的测量结果，Bob可以断定量子信道是否安全；如果不存在窃听，他们执行下一步，否则，他们终止通信；S6)Alice的编码和双向通信：在Alice丢弃δ₃个用于检测的单粒子后，她通过对序列C′中的每个粒子c施加两个酉操作{I，iσ_y}中的一个来编码她自己的1比特秘密，这样，序列C′就转变成序列C″，即C′′=[U1αU1βP1(c),U2αU2βP2(c),...,UnαUnβPn(c),...,U2NαU2NβP2N(c)],]]>其中Bob把之前记录的粒子a和b在序列C的确切位置告诉Alice；由于酉操作I和iσ_y都不会改变粒子a和b的基态，Alice能够选择正确的测量基来测量序列C″中的每个粒子c；然后，Alice向Bob公布她的测量结果；相应地，根据他自己的酉操作和他从他自己的X基(Z基)测量知道的控制非操作后粒子a(b)的状态，Bob可以知道Alice的秘密信息；同样地，根据她自己的酉操作和她从自己制备的EPR对知道的控制非操作后粒子a(b)的状态，Alice也能够读出Bob的秘密信息。