[发明专利]基于具有极化和空模自由度的单光子的量子加密量子对话方法

权利要求书

1.一种基于具有极化和空模自由度的单光子的量子加密量子对话方法，利用量子加密技术克服信息泄露问题；在传输过程中，用于编码两个通信者隐秘经典比特的具有极化和空模自由度的单光子被量子加密技术和诱骗光子技术双重保护；为了避免信息泄露问题，用于编码两个通信者隐秘经典比特的具有极化和空模自由度的单光子的初始态通过量子密钥加密和解密被两个通信者共享；共包括以下四个过程：

S1)量子密钥产生和传输：Alice制备N个四粒子纠缠态都处于量子态其中上标1,2,…,N代表这些四粒子纠缠态的顺序，|H和|V分别是光子的水平极化态和垂直极化态；Alice将这些四粒子纠缠态分别分割成四个粒子序列即和为了进行安全检测，Alice制备两组诱骗光子，它们的每个粒子都随机处于四个量子态{|H,|V,|+,|-}中的一个,其中和然后，Alice将一组诱骗光子随机插入以组成粒子序列并以块传输的方式将它发送给Bob；同样地，Alice将另一组诱骗光子随机插入以组成粒子序列并以块传输的方式将它发送给Bob；

在Bob证实已经接收到后，Alice告诉Bob诱骗光子的位置和制备基；然后，Bob利用正确的测量基测量相应的诱骗光子并告诉Alice他的测量结果；Alice通过对比Bob的测量结果和诱骗光子的初态来计算错误率；如果的传输是安全的，他们将继续执行下一步，否则，他们将终止通信；

S2)Alice的加密：Alice制备由N个具有极化和空模自由度的单光子态构成的序列，即S_T＝{|φ₁,|φ₂,…,|φ_N}，其中下标1,2,…,N代表S_T中这些单光子态的顺序，|φ_P∈{|H,|V}和|φ_S∈{|b₁,|b₂}，|b₁和|b₂分别是光子的上空模和下空模；Alice利用Z_P基分别测量粒子和其中Z_P基是极化自由度下的一组测量基，为{|H,|V}，i＝1,2,…,N；为了加密S_T中的单光子态，Alice根据以下规则对它们施加复合酉操作：如果粒子和的测量结果分别是|H和|H，Alice对|φ_i施加复合酉操作C₀₀；如果粒子和的测量结果分别是|H和|V，Alice对|φ_i施加复合酉操作C₀₁；如果粒子和的测量结果分别是|V和|H，Alice对|φ_i施加复合酉操作C₁₀；如果粒子和的测量结果分别是|V和|V，Alice对|φ_i施加复合酉操作C₁₁；这里，其中I_P＝|HH|+|VV|，U_P＝|VH|-|HV|，I_S＝|b₁b₁|+|b₂b₂|，U_S＝|b₂b₁|-|b₁b₂|；

然后，Alice制备足够多的具有极化和空模自由度的诱骗单光子，其中每个诱骗单光子随机处于十六个量子态中的一个，并将它们随机插入自己加密后的S_T以组成序列S'_T，其中最后，Alice以块传输的方式将S'_T传送给Bob；

在Bob证实接收到S'_T后，Alice和Bob一起执行与步骤S1一样的安全检测过程；如果S'_T的传送是安全的，他们将继续执行下一步，否则，他们将终止通信；

S3)Bob的解密和编码：Bob丢弃S'_T中的诱骗单光子恢复Alice加密后的S_T；然后，Bob利用Z_P基分别测量粒子和其中i＝1,2,…,N；然后，Bob解密Alice加密后的S_T中的单光子态；即，如果粒子和的测量结果分别是|H和|H，Bob对Alice加密后的S_T中的第i个单光子态施加复合酉操作C₀₀；如果粒子和的测量结果分别是|H和|V，Bob对Alice加密后的S_T中的第i个单光子态施加复合酉操作C₀₁；如果粒子和的测量结果分别是|V和|H，Bob对Alice加密后的S_T中的第i个单光子态施加复合酉操作C₁₀；如果粒子和的测量结果分别是|V和|V，Bob对Alice加密后的S_T中的第i个单光子态施加复合酉操作C₁₁；显然，在Bob的解密后，S_T被恢复成{|φ₁,|φ₂,…,|φ_N}；然后，Bob利用基测量|φ_i以知道它的初态，其中Z_S是空模自由度下的一组测量基，为{|b₁,|b₂}；根据他的测量结果，Bob重新制备一个没有被测量过的新的|φ_i；为了编码他的两个隐秘经典比特(k_i,l_i)，Bob对新的|φ_i施加复合酉操作相应地，新的|φ_i被转变成从而得到为了安全检测，Bob制备足够多的具有极化和空模自由度的诱骗单光子，其中每个诱骗单光子随机处于十六个量子态中的一个，并将它们随机插入S_T以组成序列S”'_T；最后，Bob以块传输的方式将S”'_T传送给Alice；

在Alice证实已经接收到S”'_T后，Alice和Bob一起执行与步骤S1一样的安全检测过程；如果S”'_T的传送是安全的，他们将继续执行下一步，否则，他们将终止通信；

S4)Alice的编码和双向通信：Alice丢弃S”'_T中的诱骗单光子恢复S_T；然后，为了编码她的两个隐秘经典比特(t_i,j_i)，Alice对施加复合酉操作相应地，被转变成然后，Alice利用基测量为了实现双向通信，Alice公开宣布的测量结果；根据|φ_i的初态、她自己的复合酉操作以及的测量结果，Alice能读出Bob的两个隐秘经典比特(k_i,l_i)；同样地，根据他知道的|φ_i的初态、他自己的复合酉操作以及Alice对的测量结果的宣布，Bob也能读出Alice的两个隐秘经典比特(t_i,j_i)。