[发明专利]基于单光子三个自由度的测量设备无关的量子密钥分配方法

说明书

本发明公开了一种基于单光子三个自由度的测量设备无关的量子密钥分配方法，本发明利用两个纵向动量自由度与极化自由度的量子态，结合MDI‑QKD的思想，将单光子在两个纵向动量和极化自由度上进行编码，发送给第三方测量装置。并利用第三方测量装置进行超纠缠贝尔态分析达到64个贝尔态的完全区分。与单光子的极化自由度相比，在三个自由度上对信息进行编码并且利用非线性光学条件对64个贝尔态完全区分，进一步的提高了安全密钥的利用率以及成码率。

技术领域

本发明涉及一种量子通信技术，尤其涉及一种用于量子密钥分发技术。

背景技术

量子密钥分发(QKD)是量子信息科学的一个重要分支，它允许两个处于远距离的合法用户共享安全密钥，如果存在窃听，则可以被发现。QKD应用到量子力学的基本特性(如量子不可克隆性，量子不确定性等)来确保任何企图窃取传送中的密钥都会被合法用户所发现，这是QKD比传统密钥分配所具有的独特优势，后者原则上难以判断手头的密码本是否已被窃听者复制过。

但是，由于测量设备和量子信号源的非完美性，量子密钥分配系统在实际应用中并不能保证传输信息的绝对安全。例如光子探测器就容易受到“时移攻击”、“强光致盲攻击”等各种类型的攻击。另外窃听者还可以利用量子信号源的非完美性进行攻击，例如窃听者可以利用光源的非完美性进行“光子数分流攻击”。为了解决上述问题，人们提出了几种可能的方案，其中就包括使用诱骗态进行的量子密钥分发方案和基于测量设备无关量子密钥分发(MDI-QKD)方案。

MDI-QKD方案与BB84协议使用相同的四种偏振态，即为{0}，{1}，{+}，{-}四种偏振态，Alice和Bob都制备这四种偏振态，并随机从四种偏振态中选择一种发送给第三方(或者是EVE)，这里我们无法判断第三方是否是窃听者，可以认为他是不受信任的。然后由第三方将从两者接收到的信息结合起来并进行贝尔态的测量，即将输入信号转换为贝尔态。像这种测量在实际环境下都是可以实现的，而且，Alice和Bob可以应用诱骗态技术来分析接收到的多光子的误码率。这里也使用了诱骗态技术。当Alice和Bob将要传输的信息发送完成之后,第三方通过公共信道宣布他是否接收到了贝尔态并且公布测量结果。最后，为了保证发送的两人发送的量子比特的相关性，Alice和Bob中的一方需要对自己的信息做一个比特反转操作。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中MDI-QKD的研究主要针对单自由度，对多个自由度的MDI-QKD的研究还没有人进行探讨，本发明提供一种基于单光子三个自由度的测量设备无关的量子密钥分配方法，本发明利用极化自由度和两个纵向动量自由度的量子态，结合MDI-QKD的思想，因为一个光子携带三个bit信息，在此基础上进一步提高了信道容量与安全码率的成码率。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于单光子三个自由度的测量设备无关的量子密钥分配方法，包括以下步骤：

步骤1：发送方和接收方随机选择直线基和对角基的一种来编码三个自由度的单光子态，并把编码后的单光子态通过量子信道发送给第三方测量装置；

发送方和接收方负责制备单光子态，第三方测量装置负责测量单光子态，首先，发送方和接收方利用极化控制器随机制备四个极化量子态其中的一个，即：其中，|H〉和|V〉分别是光子的水平偏振和垂直偏振状态，{|H〉,|V〉}和分别对应于极化自由度的直线基和对角基，并且，|H和|+〉_p代表编码信息1，|V〉和|-_p代表编码信息0，BS分束器控制空间路径编码，在第一个自由度中，它将|L〉变成|R〉变成|-_f＝(|L-|R)，同理，在第二个自由度，通过BS分束器将|I变成R〉变成|-_s＝(|I-|E)，其中，{|L，|R}表示为第一个自由度中的两个基，{|I,|E}表示为第二个自由度中的两个基；