[发明专利]基于任意两个GHZ态纠缠交换结果集合编码的无信息泄露双向量子安全直接通信协议

说明书

技术领域

本发明涉及量子安全通信领域。本发明设计一种基于任意两个GHZ态纠缠交换结果集合编码的无信息泄露双向量子安全直接通信(Bidirectional Quantum Secure Direct Communication，BQSDC)协议，使得远距离合法通信双方能够安全交换他们彼此的秘密信息而无需担心信息泄露问题。

背景技术

量子通信已经成为量子力学最重要的应用之一，并且已经吸引了许多注意力。作为量子通信的一个分支，量子密钥分配(Quantum Key Distribution，QKD)致力于在远距离合法通信双方之间建立一个无条件安全的共享密钥。自从第一个QKD被Bennett和Brassard[1]在1984年提出后，许多不错的QKD协议[2-4]也已经被提出来。接着，量子安全直接通信(Quantum Secure Direct Communication，QSDC)也被提出来，其目标在于通过量子信道直接传送秘密信息而无需事先建立一个密钥对其进行加密。在2002年，一个早期的QSDC被Beige等提出来[5]，但仍然需要传送额外的经典信息才能读取每量子比特携带的秘密信息。接着，Bostrom等[6]利用Einstein-Podolsky-Rosen(EPR)对的超密编码思想提出著名的Ping-Pong协议。在2003年，Deng等[7]基于Bell态提出一个两步QSDC协议。在2004年，Cai等[8]将两个额外的酉操作引入到Ping-Pong协议来提高其容量。在2005年，Wang等[9]基于多粒子GHZ态提出一个多步QSDC协议。在最近几年，QSDC已经得到迅速发展[10-14]。

然而，在2004年，Zhang等[15-17]和Nguyen[18]指出许多已提出的QSDC协议是信息单向传输通信协议，并提出了BQSDC这一新概念来实现双向通信。接着，Man等[19]发现Nguyen的协议[18]无法抵抗截获-重发攻击并相应提出了一个改进方法。在2006年，Jin等[20]提出一个利用单个GHZ态的三方同时QSDC；Man和Xia[21]提出一个利用单个GHZ态的受控BQSDC；Ji和Zhang[22]提出一个利用单个单光子的量子对话协议；Man等[23]提出一个基于GHZ态纠缠交换的量子对话协议。在2007年，Man和Xia[24]发现Jin的协议[20]有信息确定性泄露问题，并针对这一问题提出了一个解决方法；Chen等[25]提出一个基于Bell态纠缠交换的BQSDC协议；Yang等[26]提出一个基于单个单光子的近似安全的量子对话协议。在2008年，Gao等[27]从信息论和密码学的角度指出Jin的协议[20]和Man的改进协议[24]存在信息泄露问题；Gao等[28]指出Nguyen的协议[18]、Man的协议[19]、Ji的协议[22]和Man的协议[23]也存在信息泄露问题；Tan等[29]从Holevo界的角度分析了Nguyen的协议[18]中的信息泄露问题。在2009年，Shan等[30]提出一个基于腔QED两个Bell态纠缠交换的量子对话协议；Shi等[31]利用一个正常Bell态和一个辅助Bell态提出一个无信息泄露BQSDC。在2010年，Shi等[32]利用一个单光子和一个辅助单光子提出一个无信息泄露量子对话协议；Shi[33]提出一个利用Bell态的相关提取性质和一个辅助粒子克服信息泄露问题的BQSDC协议；Gao[34]提出两个基于两个Bell态纠缠交换的无信息泄露量子对话协议。在2013年，Ye和Jiang[35]提出两种方法以解决Man的协议[21]中的信息确定性泄露问题。事实上，文献[15-16，25-26，30，35]中的所有协议也都有信息泄露问题。正如以上分析的那样，可以下结论的是：既然大量BQSDC协议[15-16，18-26，30，35]都存在信息泄露问题，信息泄露问题已经成为BQSDC的一个巨大安全威胁。而且，更仔细的分析可以发现，上述BQSDC协议[15-16，18-26，30-35]中秘密信息交换的数量仍然不够大。

基于以上分析，本发明提出一种基于任意两个GHZ态纠缠交换结果集合编码的无信息泄露BQSDC协议，使得远距离合法通信双方能够安全交换他们彼此的秘密信息而无需担心信息泄露。该协议利用一个共享的秘密GHZ态来克服信息泄露问题，而且每轮通信能够传送六比特秘密信息。相比于已提出的BQSDC协议，该协议的优势在于同时具备如下两个特征：一方面，它能克服信息泄露问题；另一方面，它的容量高达六比特每轮通信。

参考文献