[发明专利]基于EPR对和单光子的确定性安全量子通信方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及量子通信技术，尤其涉及一种基于EPR对和单光子的确定性安全量子通信方法及装置。

背景技术

量子通信（Quantum Communication，QC）作为一种理论上无条件安全的通信模式，最近以来引起了广泛的关注。量子通信是信息学与量子力学相结合的产物，它是以量子态为信息载体，利用量子力学的一些原理和特征进行传输和保护信息。量子通信系统的安全性主要依赖于量子力学中的“海森堡测不准关系”（或称为测不准原理）和“单量子不可复制定理”（也可称为未知量子态不可克隆定理）以及纠缠粒子的相干性和非局域性等量子特性，而不再是传统密码通信系统中的计算复杂度和计算性困难等问题。鉴于此，许多非常有趣的应用在量子安全通信领域中得到了深入的研究和发展，量子密钥分发（Quantum Key Distribution，QKD）就是其中最显著的应用之一。采用量子密钥分发方案，可以在两个远程授权的用户之间通过量子信道建立随机的共享秘钥，并且此共享秘钥可用于接下来用户间消息的加密和传送。自从Bennett and Brassard在1984年提出第一个量子密钥分发协议（简称BB84协议）以来，越来越多的科研工作者开始聚焦于这个热点领域，并且相继提出了诸多量子密钥分发方案。

近年来，量子直接通信这个新颖的概念被大家提出并得到广泛的研究。量子直接通信主要包括两个研究方向，即量子安全直接通信（Quantum Secure Direct Communication，QSDC）和确定性安全量子通信（Deterministic Secure Quantum Communication，DSQC）。与量子密钥分发不同的是，QSDC用于直接传输秘密信息，不再需要借助密钥。在秘密信息传输过程中，秘密信息本身不能被抛弃，这不同于量子密钥分发过程中如果发现存在窃听就抛弃已经传输的量子测量结果的方式。因此，QSDC对安全性的要求更高。

DSQC作为量子直接通信的另外一个重要分支，由于其在实现上需要有一轮辅助的经典信息的交互而与QSDC的实现有所区别。也就是说，在DSQC协议中对于每个量子比特只有在至少一比特的经典信息交互完成之后，此量子比特所承载的相应的秘密消息才能被合法的用户识别出来。DSQC协议中具有一个非常显著的特征，即消息的接收者能即时获得确定的消息内容，而不是像QKD一样只能获得一个随机的二进制的比特串。此外，在一个实际的信道中，DSQC相对QSDC而言存在一些优势，最重要的优点是用于携带秘密信息的量子比特在进行安全检测后无需再次经信道传输。因此，DSQC方案的设计和实现被广大科研工作者所追随，被得到了快速发展。但是，现有的DSQC方案通常编码容量较低，效率不高，操作复杂度高。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供了一种基于EPR对和单光子的确定性安全量子通信方法及装置，通过采用EPR纠缠光子对和极化单光子形成三粒子纠缠态，能够使两粒子承载两比特的秘密信息，剩余粒子承载一比特经典交互信息，并在X-基和贝尔基的测量下实现两比特秘密消息的传送，该方法及装置大大提高了编码容量和传输效率，且操作简单，易于实现。

为了达到上述目的，本发明提供了一种基于EPR对和单光子的确定性安全量子通信方法，包括：

步骤1：制备n个有序的EPR对，并按序从每个EPR对中选取出第一个粒子形成一个粒子序列S_H，并按序从每个EPR对中取出剩余的粒子形成序列S_T；其中，所述n个EPR对均为同一贝尔基态；

步骤2：按照消息M_N的内容，在序列S_H中相应的粒子上执行对应的局域幺正操作，使得所述n个EPR对转化成相应的贝尔基态，并根据步骤1中序列S_H和序列S_T的选取规则，从转换后的n个EPR对中选取序列S_H′和S_T′，其中，N=2n；

步骤3：制备n个处于水平极化态的单光子，并按序形成序列S_B，然后以序列S_H′中的粒子作为控制量子比特位，序列S_B中相应顺序的粒子作为目标量子比特位，执行控制非门CNOT的操作，使序列S_B转换成序列S_B′；