[发明专利]基于利用纠缠交换测量相关性和降低传输效率的无信息泄露受控量子对话协议

摘要

目前，信息泄露仍然是量子对话协议的一个严重安全漏洞。本发明提出一个基于利用纠缠交换测量相关性和降低传输效率的无信息泄露受控量子对话协议，使Bob和Charlie通信双方在控制者Alice的控制下能够实现无信息泄露的量子对话。该协议充分利用两个GHZ态纠缠交换后的测量相关性和降低传输效率来防止发生信息泄露。而且，该协议不需要GHZ基测量而只需要Bell基测量。安全性分析表明，该协议能够抵抗外部窃听者的主动攻击，如截获-重发攻击、测量-重发攻击和纠缠-测量攻击。

主权项

1.一种基于利用纠缠交换测量相关性和降低传输效率的无信息泄露受控量子对话协议，通过利用两个GHZ态纠缠交换后的测量相关性和降低传输效率来防止发生信息泄露，使Bob和Charlie通信双方在控制者Alice的控制下能够实现无信息泄露的量子对话，共包括以下六个过程：S1)初态的制备：Alice制备2N+P+Q个都处于|Ψ>的GHZ态，每个GHZ态用[A_n，B_n，C_n|(n＝1，2，…，2N+P+Q)来表示；Alice将所有粒子分成三个有序粒子序列，即S_A＝{A₁，A₂，…，A_2N+P+Q}、S_B＝{B₁，B₂，…，B_2N+P+Q}和S_C＝{C₁，C₂，…，C_2N+P+Q}；然后，她将S_C发送给Charlie，自己保留S_A和S_B；S2)第一次安全检测：Charlie通知Alice她已经收到S_C；Charlie从S_C随机选择Q个粒子并随机用Z基({|0>，|1>})或X基({|+>，|->})测量它们；Charlie向Alice公布这些粒子的位置和测量基；Alice使用和Charlie相同的测量基分别测量S_A和S_B中对应的粒子；Charlie让Alice首先公布她的测量结果，然后，Charlie公布自己的测量结果；如果不存在窃听，根据GHZ态三个粒子间的纠缠相关性，她们的测量结果应该高度相关；如果信道是不安全的，通信将被终止，否则，通信继续；S3)第二次安全检测：Alice将S_B发送给Bob；Bob首先通知Alice他已经收到S_B，然后，Bob从S_B随机选择P个粒子，并且随机用Z基或X基测量它们；这些粒子与第一次安全检测用到的Q个粒子是不同的；Bob向Alice和Charlie公布这些粒子的位置和测量基；Alice和Charlie使用与Bob相同的测量基分别测量S_A和S_C中对应的粒子；Bob让Alice首先公布她的测量结果；然后，Bob和Charlie公布他们的测量结果；如果不存在窃听，根据GHZ态三个粒子间的纠缠相关性，他们三者的测量结果应该是高度相关的；如果信道是不安全的，通信将被终止，否则，通信继续；S4)Bob的编码：剔除P+Q个检测粒子后，S_A、S_B和S_C分别转变成三个新序列S′_A、S′_B和S′_C，即S′_A＝{A₁，A₂，…，A_2N}、S′_B＝{B₁，B₂，…，B_2N}和S′_C＝{C₁，C₂，…，C_2N}；Alice、Bob和Charlie三人分别将自己的序列进行分组(一组包含两个相邻粒子)，即(A_2n-1，A_2n)、(B_2n-1，B_2n)和(C_2n-1，C_2n)(n＝1，2，…，N)分别为S′_A、S′_B和S′_C中的一个组；然后，Alice、Bob和Charlie用Bell基分别测量(A_2n-1，A_2n)、(B_2n-1，B_2n)和(C_2n-1，C_2n)；纠缠交换后，(A_2n-1，A_2n)、(B_2n-1，B_2n)和(C_2n-1，C_2n)都分别坍塌为一个新的Bell态；然后，Bob对(B_2n-1，B_2n)中的第一个粒子施加酉操作以编码1比特秘密信息，相应地，(B_2n-1，B_2n)转变成然后，Bob制备数量足够的随机处于{|0>，|1>，|+>，|->}四个态之一的样本粒子用于安全检测，并将它们随机插入S′_B，相应地，S′_B转变成一个新序列S″_B；Bob记录所有样本粒子的制备基和在S″_B的位置；最后，Bob将S″_B发送给Charlie；S5)第三次安全检测：在Charlie向Bob证实她已经收到S″_B后，Bob首先公布样本粒子的位置和相应的制备基；然后，Charlie用Bob的制备基测量样本粒子，并告诉Bob她的测量结果；Bob通过比较样本粒子的初态和Charlie的测量结果判断是否存在窃听；如果信道是不安全的，他们终止通信，否则，他们继续执行下一步；S6)量子对话：在剔除样本粒子后，S″_B转变成S′_B；现在Charlie手上拥有两个序列S′_B和S′_C；Charlie对的第二个粒子施加酉操作以编码1比特秘密信息，相应地，转变成然后，Charlie用Bell基测量如果Alice允许Bob和Charlie之间的对话，她向Charlie公布自己对(A_2n-1，A_2n)的Bell基测量结果；根据Alice的公布和自己对(C_2n-1，C_2n)的Bell基测量结果，Charlie能够推断出Bob对(B_2n-1，B_2n)的Bell基测量结果，而且，根据自己的酉操作和自己对的Bell基测量结果，Charlie能够推断出Bob的1比特秘密信息；另一方面，Charlie直到已经收到Alice对(A_2n-1，A_2n)的公布才向Bob公布她对的测量结果；根据他自己对(B_2n-1，B_2n)的Bell基测量结果、自己的酉操作和Charlie对的公布，Bob能够推断出Charlie的1比特秘密信息；如果Alice不允许Bob和Charlie之间的对话，她将不向Charlie公布自己对(A_2n-1，A_2n)的Bell基测量结果；这样Charlie将不能够推断出Bob对(B_2n-1，B_2n)的Bell基测量结果，而且，Charlie不向Bob公布自己对的Bell基测量结果，因此，Bob和Charlie之间的对话被终止。