[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

说明书

本发明提出一种新颖的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。在本发明的方法中，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。本发明方法的信息论效率高达40％。

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，实现两个通信者之间隐秘消息的相互交换。

背景技术

众所周知，自从量子密码诞生[1]以来，它已经被发展成具有许多有趣的分支，如量子密钥分配(Quantum key distribution，QKD)[1-4]、量子隐私比较(Quantum privatecomparison，QPC)[5-9]、量子安全直接通信(Quantum secure direct communication，QSDC)[10-14]等。自然而然地，不同分支会具有不同的功能。QKD的目标是借助于量子信号的传输在两个远距离通信者之间建立一个随机原始密钥。QPC的目标是判断两个用户的隐秘输入是否相等。QSDC致力于实现将隐秘消息从一个用户直接传送给另一个用户而不需要事先产生一个随机原始密钥对它进行加密。

事实上，许多早期的QSDC方法仅能实现一个隐秘消息从发送者到接收者的单向传送，但在相互对话情形是没有用处的。于是，怎么实现隐秘消息在两个通信者之间的双向传送变得非常急迫。幸运地是，在2004年，Zhang等[15-16]和Nguyen[17]分别独立提出量子对话(Quantum dialogue，QD)这一全新概念来解决这个问题。此后，许多学者将他们的热情投入到QD的研究中。相应地，大量QD方法[18-24]已经被构建出来。随后，Tan与Cai[25]以及Gao等[26-27]分别独立发现一种特殊的称为信息泄露的安全漏洞，它意味着一个外在攻击者Eve能轻易地从公开宣布中推断出关于通信者隐秘消息的部分信息而无需发起任何主动攻击。因此，如何有效解决信息泄露问题对于QD来说变得至关重要。在2009年，Shi等[28]利用从一个通信者向另一个通信者直接传送共享的隐秘Bell态来克服信息泄露问题。在2010年，Shi等构建了利用直接传送共享的隐秘单光子来克服信息泄露问题的QD方法[29]以及基于Bell态相关提取性和辅助单光子的QD方法[30]；Gao[31]利用两个Bell态之间纠缠交换后的测量相关性来抵抗信息泄露问题。在2013年，我们提出一个基于任意两个GHZ态之间纠缠交换和辅助GHZ态的大容量无信息泄露QD方法[32]。在2014年，我们设计了一个无信息泄露量子加密QD方法[33]。在2015年，我们利用辅助量子操作来解决信息泄露问题[34]。

最近，许多学者采用具有极化和空模自由度的单光子来设计不同类型的量子密码方法[35-38]。原因在于：如果一个量子密码方法采用具有极化和空模自由度的单光子而非具有单自由度的单光子作为量子资源，它的量子通信容量通常会被极大提高。

基于以上分析，本发明通过采用具有极化和空模自由度的单光子作为量子资源提出一个新颖的不存在信息泄露的QD方法，利用量子加密技术克服信息泄露问题。在本发明的方法中，一个具有极化和空模自由度的单光子总共能携带四个经典比特，意味着本发明的方法具有较大的量子通信容量。

参考文献

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