[发明专利]一种基于超纠缠的测量设备无关的量子安全直接通信方法

说明书

一种基于超纠缠的测量设备无关的量子安全直接通信方法，通信双方分别制备一系列相同的空间‑极化超纠缠态，形成相应的光子序列。双方分别将每个超纠缠态中的一个光子发送给第三探测端进行超纠缠贝尔态测量并公布测量结果。根据测量结果通信双方建立空间‑极化超纠缠信道。信息发送方根据所要发送的信息对手中的光子在极化自由度上进行编码，同时信息接收方也对手中的光子进行随机编码。双方将编码后的光子发送给第三方进行空间纠缠辅助的完全极化贝尔态测量并公布结果。信息接收方根据测量结果以及自身的随机操作，可解读出信息发送方的编码信息。该方法可有效抵抗所有来自探测器端的攻击，具有绝对安全性，可有效提高MDI‑QSDC的通信效率。

技术领域

本发明属于量子安全通信领域，具体涉及一种基于超纠缠的测量设备无关的量子安全直接通信方法。

背景技术

量子安全直接通信(QSDC)是量子保密通信的一个重要分支。它可在量子信道中直接传递秘密信息，无需事先产生密钥。2000年，龙桂鲁等人提出了第一个量子安全直接通信方案——高效QSDC方案。2003年，邓富国等人利用密集编码的思想提出了基于EPR纠缠对的两步QSDC协议；2004年该研究小组又提出了基于单光子的一次一密QSDC方案；2005年，满忠晓等人提出了基于纠缠交换的QSDC方案等等。2011年，施锦等提出了利用两粒子两自由度超纠缠态的量子通信方案。随后，多种QSDC协议纷纷涌现，而在这些QSDC协议中，两步QSDC协议更易于推广，已经发展成为量子直接对话协议，且基于单光子的QSDC协议比基于EPR对的QSDC协议更易于实现。

QSDC的安全性在理想情况下已经得到证明，然而，在实际量子通信系统中的设备会存在一些缺陷，尤其是测量设备的缺陷，会导致信息传输的泄露，窃听者可以窃取秘密信息而不会被发现。解决这一问题的方法就是使用测量设备无关(MDI)的技术，设计MDI-QSDC协议。MDI-QSDC协议能抵御所有来自测量端的攻击，有效提高了传统QSDC协议在实际实验条件下的安全性。MDI-QSDC协议需要完全贝尔态测量(BSM)，然而，传统的基于线性光学的BSM协议只能区分4个贝尔态中的两个，导致一对纠缠态只能传递1比特的信息，导致了MDI-QSDC的通信效率较低，无法高效地传输信息。

发明内容

本发明提出了基于超纠缠的测量设备无关的量子安全直接通信方法，该方法不仅可以解决探测设备的不完美带来的安全性问题，而且可以有效提高量子安全直接通信的效率。

一种基于超纠缠的测量设备无关的量子安全直接通信方法，包括如下步骤：

步骤1：信息发送方Alice和信息接收方Bob均制备n个相同的极化-空间超纠缠光子对然后从每个超纠缠光子对中取出一个光子，形成两个有序光子序列S_AC_A以及S_BC_B；另外，Alice和Bob随机制备m个在极化和空间多自由度上随机编码的单光子，并分别将这些单光子随机插入C_A和C_B光子序列中；

步骤2：Alice和Bob分别将C_A和C_B序列的光子发送给第三方测量端Charlie；

步骤3：Charlie收到C_A和C_B序列的光子后，对每一对光子进行超纠缠贝尔态测量HBSM并公布测量结果；Alice和Bob公布C_A和C_B序列中单光子的位置和两自由度的制备基和量子态；

步骤4：若C_A和C_B序列中进行HBSM的一对光子都来源于超纠缠态，则通过HBSM通信双方建立超纠缠信道；若HBSM的一对光子都是单光子，则通信双方利用HBSM结果进行安全性检测；若HBSM的一对光子一个来源于超纠缠态，一个是单光子，则丢弃掉HBSM的结果以及超纠缠态中剩余的光子；