[發明專利]抗集體退相位噪聲的錯誤容忍信道加密量子對話協議

在審

• 申請號: 201410355932.8
• 申請日: 2014-07-22
• 公開（公告）號: CN104104503A
• 公開（公告）日: 2014-10-15
• 發明（設計）人: 葉天語
• 申請（專利權）人: 浙江工商大學
• 主分類號: H04L9/08
• 分類號: H04L9/08;H04L29/06
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及量子安全通信領域。本發明設計一種抗集體退相位噪聲的錯誤容忍信道加密量子對話協議，達到量子對話抗信息泄露和噪聲干擾的目的。

背景技術

量子密碼的安全性是基于量子力學性質而非解決數學問題的計算復雜性，可被視為經典密碼在量子力學領域的推廣。量子密碼首次誕生于Bennett和Brassard[1]在1984年的開創性工作。直到現在，它已經拓展為許多有趣的分支，如量子密鑰分配(Quantum?key?distribution，QKD)[1-5]、量子秘密共享(Quantum?secret?sharing，QSS)[6-8]、量子安全直接通信(Quantum?secure?direct?communication，QSDC)[9-20]等。眾所周知，QSDC能夠在遠距離通信方之間直接傳輸秘密信息而無需首先建立隨機密鑰。盡管QSDC已經得到相當的發展，大多數QSDC協議[9-20]僅僅實現單向通信，即它們不能在不同通信方之間實現秘密比特的相互交換。在2004年，當他們獨立提出量子對話(Quantum?dialogue，QD)這一新概念時，Zhang等[21-22]和Nguyen[23]成功地彌補了這個缺陷。然而，那些早期的QD協議[21-33]總是具有信息泄露問題。這一問題是被Gao等[34-35]在2008年首次發現，產生于“經典相關”的存在[36]。這已經成為一個共識：解決QD的信息泄露問題的關鍵在于在所有通信方之間秘密共享初始量子態，如直接傳輸輔助量子態[37-40]、Bell態的相關提取性質[41]、兩個Bell態糾纏交換后的測量相關性[42]以及量子加密共享[43]。

隨著量子密碼的發展，信道加密(量子加密)量子密碼[44-51]這一特殊概念也被提出來。在信道加密量子密碼中，不同通信方總是首先共享一個量子態序列作為他們可重復使用的量子私鑰，然后利用它來對攜帶經典秘密比特的傳輸量子態進行加密和解密。量子加密思想已經被作者引入到QD中用于在通信雙方間秘密共享初始量子態。[43]

在一個實際的傳輸過程中，由于光纖雙折射的波動能改變光子的偏振狀態，信道噪聲不可避免。目前，許多量子密碼協議僅僅適用于一個理想信道，如文獻[21-33，37-43]中的那些QD協議。顯然，怎樣使量子密碼協議能在一個噪聲信道運作良好具有重要的意義。目前已經涌現出幾種消除噪聲影響的方法，如糾纏純化[52]、量子糾錯碼(Quantum?error?correct?code，QECC)[53]、單光子錯誤拒絕(Single-photon?error?rejection，SPER)[54]以及無消相干(Decoherence-free，DF)態[55-64]。前三個策略的缺陷是它們只能在如下假設下才有效：光子與環境之間的反應足夠弱，而且光子以很低的概率被干擾。幸運地是，信道噪聲可被建模為集體噪聲，即如果幾個光子同時在一個噪聲信道傳輸或者它們空間上足夠近，那么噪聲對每個光子的改變是相同的。[59-60]因為DF態不受集體噪聲影響，它們經常被用于抵抗這種噪聲。

本發明提出一個抗集體退相位噪聲的錯誤容忍信道加密QD協議。每個由兩物理量子比特構成的DF態被用于抵抗集體退相位噪聲。量子私鑰能在集體退相位噪聲信道被通信雙方安全共享。通過利用量子私鑰進行加密和解密，每個傳輸的兩粒子邏輯量子比特的初態可被通信雙方秘密地共享。然后，通信雙方的秘密信息通過復合酉操作被編碼在傳輸的兩粒子邏輯量子比特上。由于量子加密共享每個傳輸的兩粒子邏輯量子比特的初態，信息泄露問題被克服。只要旋轉角度選擇恰當，在旋轉后量子私鑰可被重復利用，從而節省了量子資源。這樣，本發明協議的信息論效率幾乎達到66.7％，遠高于之前的抗噪聲無信息泄露QD協議。在整個對話過程，除了安全檢測外，本發明協議僅需要單粒子測量，所以它的量子測量在實際中便于執行。安全性分析表明，在對話過程中，一個竊聽者不能得到關于秘密信息的任何有用信息而不被發現。

參考文獻

[1]Bennett?C?H，Brassard?G，Proceedings?of?the?IEEE?Intemational?Conference?on?Computers，Systems?and?Signal?Processing，Bangalore：IEEE?Press，(1984)175

[2]Beruett?C?H，Brassard?G，Mermin?N?D，Phys?Rev?Lett，68(1992)557

[3]Cabell?A，Phys?Rev?Lett，85(2000)5635