[发明专利]基于单光子的要求经典通信者具备测量能力的半量子对话方法

说明书

本发明提出一种基于单光子的要求经典通信者具备测量能力的半量子对话方法，利用单光子作为量子载体实现一个量子通信者和一个经典通信者之间秘密消息的相互交换。本发明的方法针对外在Eve的主动攻击的安全性是由现有半量子密钥分配方法的完全鲁棒性、经典一次一密加密、经典通信者的置乱操作和诱骗光子技术来保证。经典通信者对信息单光子的经典基测量使得他与量子通信者共享它们的初态，使本发明的方法克服信息泄露问题。与传统无信息泄露量子对话方法相比，本发明方法的优势在于只要求一个通信者具备量子能力。与现有半量子对话方法相比，本发明方法的优势在于采用单光子而非两光子纠缠态作为量子载体。本发明的方法可用现有量子技术实现。

技术领域

本发明涉及量子密码学领域。本发明设计一种基于单光子的要求经典通信者具备测量能力的半量子对话方法，实现一个量子通信者和一个经典通信者之间秘密消息的相互交换。

背景技术

量子密码，诞生于Bennett和Brassard在1984年提出的具有前瞻性的量子密钥分配(Quantum key distribution，QKD)方法[1]，利用量子力学的性质而非数学问题的计算复杂性来达到无条件安全。量子密码已经吸引了许多注意力并确立许多有趣的分支，如QKD[1-5]、量子安全直接通信(Quantum secure direct communication，QSDC)[6-13]、量子秘密共享(Quantum secret sharing，QSS)[14-18]等。

QKD致力于利用量子信号的传送在两个远距离通信者之间建立一个随机密钥序列，而QSDC聚焦于将一个秘密消息从一个通信者直接传送到另一个通信者而无需事先建立一个随机密钥序列。在2004年，为了实现来自两个通信者的秘密消息的相互交换，Zhang和Man[19-20]以及Nguyen[21]分别独立提出量子对话(Quantum dialogue，QD)这一新概念。QD极大地激发起研究者们的兴趣。然而，早期的QD方法[19-27]总存在信息泄露问题，意味着任何其他人无需发起任何主动攻击就能轻易地提取到关于两个通信者秘密消息的一些有用信息。QD的信息泄露问题是被Gao等[28]以及Tan和Cai[29]在2008年分别独立发现。随后，研究者们迅速转向研究如何解决QD的信息泄露问题。到目前为止，许多优秀的方法已经被提出来，如辅助量子态的直接传送[30-37]、Bell态的提取相关性[38]、控制非操作和辅助单光子[39]、量子纠缠态纠缠交换产生的测量相关性[40-41]、量子纠缠态纠缠交换结果集合编码[34-36]、量子加密共享[42-43]、辅助量子操作[44]以及量子纠缠态的测量相关性[45]。

在2007年，利用著名的BB84方法[1]，Boyer等[46]提出首个半量子密码方法(即BKM2007方法)，只允许一个通信者具备量子能力。在BKM2007方法中，接收者Bob被受限于在量子信道执行以下操作：(a)发送或不带干扰地返回量子比特；(b)用固定的正交基{|0>,|1>}测量量子比特；(c)制备(新的)量子比特处于固定的正交基{|0>,|1>}。在2009年，Boyer等[47]利用单光子构建了一个基于置乱的半量子密钥分配(Semi-quantum keydistribution，SQKD)方法，其中接收者Bob被受限于执行(a)、(b)和(d)(利用不同延迟线)重新排序量子比特。根据文献[46-47]方法的定义，正交基{|0>,|1>}可被视为经典基并用经典记号{0,1}代替，因为它只涉及量子比特|0>和|1>而非任何量子叠加态。而且，接收者Bob被受限于执行以上(a)、(b)、(c)和(d)四种操作，可被视为经典的。显然，不同于传统量子密码要求所有通信者都具备量子能力，半量子密码允许部分通信者具备经典能力而非量子能力以致于她们不需要涉及量子叠加态的制备和测量。因此，半量子密码有利于部分通信者减轻量子态制备和测量的负担。