[发明专利]适用于量子Email的基于两光子纠缠态的量子认证加密方法

说明书

技术领域

本发明涉及量子安全通信领域。本发明设计一种适用于量子Email的基于两光子纠缠态的量子认证加密方法，将量子通信方法应用于只要求接收者处于线下的情形。

背景技术

量子密码是量子信息处理的一个最重要的应用之一，可被划分为量子密钥分配(Quantum Key Distribution，QKD)[1-5]、量子秘密共享(Quantum Secret Sharing，QSS)[6-10]、量子安全直接通信(Quantum Secure Direct Communication，QSDC)[11-19]等。众所周知，认证是一种确保所传送信息的完整性的有效方式，可被吸收进经典密码和量子密码。根据认证的使用，量子密码方法可被划分为两类，即不带认证功能的和带认证功能的。例如，文献[1-19]的量子密码方法总是假设存在认证经典信道以致于它们不具有认证功能。与它们不同的是，文献[20-29]的量子密码方法没有假设存在认证经典信道，需要首先完成认证过程。文献[20-28]的所有方法需要在经典信道进行公开讨论，这要求接收者必须在线。更复杂的是，文献[20-22]的每个方法需要一个称为认证者的可信第三方。幸运的是，在2011年，Tsai等[29]利用旋转操作提出一个既不需要一次公开讨论又不需要可信第三方的单向量子认证安全通信方法。在这个方法中，发送者以一步量子传送的方式将她的消息发送给接收者。这个方法不需要接收者在线。然而，当一个窃听者Eve发起攻击修改一个消息量子比特时，她能够以1/2的概率逃避检测。受Tsai等的方法[29]的启发，Hwang等[30]首次提出一个称为量子认证加密的全新的概念，它实质上是适用于线下接收者的一步认证量子安全直接通信。量子认证加密的巨大亮点在于以下几个方面[30]：

(1)它只需要一步量子传送；

(2)它提供消息保密和身份认证；

(3)它使消息认证精确到1比特水平，即对被传送的消息的1比特修改将引发一个100％的检测概率；

(4)它不需要一个可信第三方；

(5)它不需要一个经典信道。

这些亮点使得通过量子信道进行的适用于线下接收者的许多应用成为可能，比如量子E-mail[30]。

基于以上分析，本发明提出一个适用于量子Email的基于两光子纠缠态的量子认证加密方法。与文献[30]的方法类似，两个通信者Alice和Bob事先共享两个用于决定两光子纠缠态制备的私钥。发送者Alice以一步量子传输的方式将编码了她的经典比特的两光子纠缠态序列发送给接收者Bob。在接收到编码的量子态序列后，Bob利用两光子联合测量解码出Alice的经典比特并在单向哈希函数的帮助下认证Alice的秘密的完整性。本发明的方法只使用一步量子传输，并且既不需要一次公开讨论也不需要一个可信的第三方。因此，本发明的方法可适用于量子E-mail等只要求接收者处于线下的情形。本发明的方法在单向哈希函数的帮助下使消息认证精确到1比特水平。而且，本发明的方法的信息论效率高达100％。

参考文献

[1]Bennett C H，Brassard G.Quantum cryptography：public-key distribution and coin tossing.In：Proceedings of the IEEE International Conference on Computers，Systems and Signal Processing.Bangalore：IEEE Press，1984，175-179.

[2]Ekert A K.Quantum cryptography based on Bell′s theorem.Phys Rev Lett，1991，67(6)：661-663.

[3]Bennett C H，Brassard G，Mermin N D.Quantum cryptography without Bell theorem.Phys Rev Lett，1992，68：557-559.

[4]Cabello A.Quantum key distribution in the Holevo limit.Phys Rev Lett，2000，85：5635.