[發明專利]基于任意兩個GHZ態糾纏交換結果集合編碼的無信息泄露雙向量子安全直接通信協議

有效

• 申請號: 201310225962.2
• 申請日: 2013-06-03
• 公開（公告）號: CN103338187A
• 公開（公告）日: 2013-10-02
• 發明（設計）人: 葉天語
• 申請（專利權）人: 浙江工商大學
• 主分類號: H04L29/06
• 分類號: H04L29/06
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種基于任意兩個GHZ態糾纏交換結果集合編碼的無信息泄露雙向量子安全直接通信協議，通信容量高達六比特每輪通信，利用一個共享的秘密GHZ態來克服信息泄露問題，共享的秘密GHZ態使Bob知道制備的初態并被Bob用于編碼秘密信息，共包括以下六個過程：

S1)量子態制備：Alice制備2N個隨機處于八個GHZ態之一的量子態{(A₁，B₁，C₁)，(A₂，B₂，C₂)，…，(A_2N，B_2N，C_2N)}，其中下標代表GHZ態的順序；Alice事先使每兩個相鄰的GHZ態(A_2n-1，B_2n-1，C_2n-1)和(A_2n，B_2n，C_2n)(n＝1，2，…，N)處于相同的量子態；每個GHZ態的粒子A、B和C一起組成三個相應的有序粒子序列S_A、S_B和S_C，即S_A＝{A₁，A₂，…，A_2N}、S_B＝{B₁，B₂，…，B_2N}和S_C＝{C₁，C₂，…，C_2N}；Alice制備另一份樣本GHZ態用于第一次竊聽檢測，然后將樣本粒子A、B和C隨機插入相應的原始S_A、S_B和S_C，這樣，S_A、S_B和S_C轉變成三個新序列S′_A、S′_B和S′_C；Alice將S′_C傳送給Bob，并且自己保留S′_A和S′_B；

S2)第一次竊聽檢測：在Bob向Alice證實他已經收到S′_C后，Alice首先告訴Bob?S′_C中樣本粒子C的位置；然后，Bob隨機選擇Z基({|0>，|1>})或X基({|+>，|一>})來測量S′_C中的樣本粒子C，并且告訴Alice他的測量基和測量結果；Alice選擇相同的測量基分別測量S′_A中對應的樣本粒子A和S′_B中對應的樣本粒子B；通過將她的測量結果和Bob的測量結果進行對比，Alice能夠知道量子信道是否安全；如果信道是安全的，根據GHZ態粒子間的糾纏相關性，他們的測量結果應該是高度相關的；如果Alice確信信道是不安全的，他們停止通信，否則，他們進入步驟S3；

S3)Alice的編碼：在剔除樣本粒子后，S′_A、S′_B和S′_C分別轉變回S_A、S_B和S_C；Alice和Bob都將他們自己的序列進行分組(一組包含兩個相鄰的粒子)，即(A_2n-1，A_2n)形成S_A中的一個組，(B_2n-1，B_2n)形成S_B中的一個組，(C_2n-1，C_2n)形成S_C中的一個組(n＝1，2，…，N)；Alice和Bob商定他們在同一組的不同粒子上施加他們各自的酉操作以進行編碼，而且，他們還商定，對于每個人來說，被編碼的粒子A的位置應當和被編碼的粒子B的位置相同；換句話說，在第n組，如果Alice對粒子A_2n-1(A_2n)施加酉操作和對粒子B_2n-1(B_2n)施加酉操作Bob應當對粒子A_2n(A_2n-1)施加酉操作和對粒子B_2n(B_2n-1)施加酉操作假定Alice在通信中對粒子A_2n-1施加和對粒子B_2n-1施加(n＝1，2，…，N)來編碼她的秘密信息；然后，Alice制備大量隨機處于四個量子態{|0>，|1>，|+>，|->}之一的樣本單粒子用于第二次竊聽檢測，并且將這些單粒子隨機插入S_B，相應地，S_B轉變成一個新序列S″_B；然后，Alice將S″_B傳送給Bob；

S4)第二次竊聽檢測：在Bob向Alice證實他已經收到S″_B后，Alice向Bob公布樣本單粒子的位置和制備基；然后，Bob用與Alice的制備基相同的基測量樣本單粒子，并且向Alice公布測量結果；通過比較樣本單粒子的初態和Bob的測量結果，Alice能夠知道量子信道是否安全；如果Alice證實信道是不安全的，他們停止通信，否則，他們進入步驟S5；

S5)第三次竊聽檢測：Alice制備大量隨機處于四個量子態{|0>，|1>，|+>，|->}之一的樣本單粒子用于第三次竊聽檢測，并且將這些樣本單粒子隨機插入S_A，相應地，S_A轉變成一個新序列S″_A；然后，Alice將S″_A傳送給Bob；在Bob向Alice證實他已經收到S″_A后，Alice向Bob公布樣本單粒子的位置和制備基；然后，Bob用與Alice的制備基相同的基測量樣本單粒子，并且向Alice公布測量結果；通過比較樣本單粒子的初態和Bob的測量結果，Alice能夠知道量子信道是否安全；如果Alice證實信道是不安全的，他們停止通信，否則，他們進入步驟S6；

S6)雙向通信：在剔除樣本單粒子后，S″_B和S″_A再次分別轉變回S_B和S_A，這樣Bob就同時擁有S_A、S_B和S_C；Bob從每個序列按順序挑出一個粒子，并將每兩個相鄰的GHZ態作為一組，即第n組包含兩個GHZ態(n＝1，2，…，N)；然后，Bob首先對(A_2n，B_2n，C_2n)進行GHZ基測量，所以他將知道Alice在步驟S1制備的第n組的初態；根據他的GHZ基測量結果，Bob重新產生一個沒有進行過量子態測量的新的(A_2n，B_2n，C_2n)；Bob對新的粒子A_2n施加和對新的粒子B_2n施加以編碼他的秘密信息，相應地，第n組轉變成然后，Bob對和(C_2n-1，C_2n)進行Bell基測量；根據兩個GHZ態糾纏交換結果集合編碼規則，Bob能夠知道隸屬于哪個結果集合；然后，Bob通過經典信道向Alice公布這個結果集合；根據Bob公布的結果集合，利用關于任意兩個GHZ態糾纏交換結果所隸屬的集合的規律，Alice能夠推斷出的八種可能狀態；而且，既然Alice從步驟S1制備過程知道第n組的初態，根據她的復合酉操作Alice能夠知道的狀態；這樣Alice能夠根據任意兩個GHZ態之間的轉變關系推斷出Bob的復合酉操作相應地，Alice可以推斷出Bob的秘密信息(k_n，l_n，t_n)；類似地，根據所隸屬的結果集合，利用關于任意兩個GHZ態糾纏交換結果所隸屬的集合的規律，Bob也能夠推斷出的八種可能狀態；既然Bob從他對(A_2n，B_2n，C_2n)的GHZ基測量知道第n組的初態，根據他的復合酉操作Bob能夠知道的狀態；這樣Bob能夠根據任意兩個GHZ態之間的轉變關系推斷出Alice的秘密信息(i_n，j_n，r_n)；顯然，(A_2n，B_2n，C_2n)扮演了Alice和Bob之間的一個共享秘密GHZ態的角色，起到了兩個作用：一方面，讓Bob知道制備的初態，另一方面，被Bob用于編碼秘密信息。