[发明专利]半量子安全直接通信方法和存储介质

说明书

本发明属于量子通信网络技术领域，公开了一种双向身份认证及抵御信道噪音的半量子安全直接通信方法，基于Bell态粒子，进行Z基测量和反射操作，并通过共享的经典密钥进行双向身份认证，抵御截获重发攻击，假信号攻击，特洛伊木马攻击，使拥有强量子能力的第一通信方将秘密信息直接传输给只有弱量子能力的普通用户第二通信方，进行安全的量子直接通信。本发明在通信的过程中，通过共享的经典密钥就能实现双向身份认证；严格的安全性分析表明，本发明通信协议能抵御截获重发攻击，假信号攻击，特洛伊木马攻击等具有较强威胁的攻击策略；协议的效率分析表明，本协议也具有较好的粒子使用效率。

技术领域

本发明属于量子通信网络技术领域，尤其涉及一种双向身份认证及抵御信道噪音的半量子安全直接通信方法。

背景技术

目前，最接近的现有技术：

在量子通信网络中，目前业内现有的技术发展情况如下：在过去的三十多年里，随着计算机技术的快速发展，量子计算机的出现将使得基于传统的数学计算复杂度的密码系统变得不再安全。人们需要各种更加安全和高效的通信与密码协议。1984年Bennett和Brassard提出了第一个量子密码协议，即BB84协议，科研工作者们大量的量子密码协议与量子通信协议，其中包括量子密钥分发协议(QKD)，量子直接安全通信协议(QSDC)，量子秘密共享协议(QSS)，量子隐私查询协议(QPQ)，量子身份认证协议(QIA)等。量子安全直接通信协议可以使通信双方完成直接交换秘密信息，直接对话等操作。然而身份认证是通信过程中一个重要的步骤，通过身份认证，通信的参与者可以互相确认对方是否为合法的通信者。在上述提及的量子密码协议中，大部分协议提供了两种用于保证安全的身份认证模式：

建立一条经典的身份认证通道。通过这个通道，秘密信息可能被窃听者获取，但是窃听者无法进行修改。

所有的通信参与者都拥有强量子能力，如制备，BELL测量等复杂操作。

2007年，Boyer等提出了第一个基于BB84的半量子密码协议。随后出现了基于半量子的密钥分发协议(Semi-quantum key distribution,SQKD)，基于半量子的秘密共享协议(Semi-quantum secret sharing,SQSS)等协议。2014年，Yu等人提出了第一个具有身份认证功能的半量子密钥分发协议，通过这个协议，强量子能力用户可以完成对普通用户的身份认证。2017年，Meslouhi等人通过研究表明，外部攻击者通过中间人攻击获得半量子通信协议中的部分秘密信息，同时也证明了，为了实现绝对安全，通信参与方的测量和反射操作必须具有随机性。

综上所述，现有技术存在的问题是：

现有的量子安全直接通信技术缺少对通信参与方身份认证的过程，这使得通信过程存在极大的安全隐患。

现实的量子通信环境都存在信道噪音，这会影响通信质量，增加量子通信的实现和维护成本。

大都要求通信双方具有较强的量子操纵能力，比如量子制备，贝尔测量等。由于成本和量子资源的限制，在一个量子通信网络中，占绝大部分的普通用户难以具有成本如此昂贵的量子能力。这一客观事实严重阻碍了量子通信实现商业化和大众化。

现有的量子通信协议，大都基于量子隐形传态原理。然而量子隐形传态需要建立的量子通道成本较为昂贵，需要制备的量子态也较为复杂。而且大都为多粒子系统。但是三粒子以上的粒子制备不易，在协议过程中稳定的保存，传输其状态更为困难。

现有的量子通信协议的粒子传输效率不高，在量子通信过程中产生了大量的粒子浪费，使得量子资源利用极为不充分。

解决上述问题的难度在于：

在不增加通信成本的情况下，如增加经典的身份认证信道，如何实现安全高效的身份认证。

如何抵御量子信道中存在的噪音干扰。