[发明专利]一种融合信息论与量子物理的量子直接通信方法

摘要

本发明提出一种融合信息论与量子物理的量子直接通信方法，属于量子保密通信技术领域。该方法结合经典通信安全理论和量子信息理论估算已发送数据帧传输期间信道的安全容量，并作为当前待发数据帧的编码效率的上限，且当前待发数据帧的纠错编码之前的序列由已发送数据帧根据相应安全容量提纯得到的安全比特序列加密信息序列生成。同时，接收方采用相同方法得到该待发数据帧对应的安全比特序列从而进行解密，结合纠错编码可以保证成功接收信息序列。利用本发明可以建设无密钥分发信道，直接在量子信道中传输信息且信息泄露可监控的量子保密通信系统，应用于保密电话、秘密数据传输等需要高度安全保障的通信过程。

主权项

1.一种融合信息论与量子物理的量子直接通信方法，其特征在于，包括以下步骤：1)以传输N个光子信号的时间作为一个时隙，并将N作为数据帧发送接收和安全容量计算的周期，即从发送者到接收者的量子信道上每一个数据帧包含N个比特；记第i帧发送数据帧Ci传输时对应的信道安全容量为Csi，编码效率为Ri，发送者已发的有效信息的数据长度为M1个比特，接收者已收的有效信息的数据长度为M2个比特，待传输有效信息的总长度为L个比特；2)令i＝1，M1＝0，M2＝0；3)发送者将第i帧发送数据帧Ci以及发送Ci期间的窃听检测结果发送给接收者，具体步骤如下：3.1)发送者设定第i帧的编码效率Ri，并输出第i段发送数据Xi，Xi是长度为N·Ri的随机数，第i段安全比特序列Si为空，第i段待传比特序列Wi＝Xi，用码率Ri对Wi进行编码得到第i帧发送数据帧Ci并将Ci调制到单光子信号上通过量子信道发送给接收者；3.2)发送者将发送Ci期间的窃听检测结果通过辅助信道发送给接收者；4)接收者接收步骤3)发送的发送数据帧Ci，得到第i帧接收数据帧Ci′；对Ci′进行译码,得到第i段接收比特序列Wi′和第i帧接收码字Ci″，并得到接收Ci′期间的平均窃听误码率ei和平均通信信道误码率ei′；5)接收者计算Ci传输时的安全容量Csi并将Csi通过辅助信道反馈给发送者；Csi计算方法如下：第i帧安全容量Csi＝第i帧数据总容量Cwi–第i帧数据窃听容量Cevei,其中Cevei即DL04协议的第i帧数据窃听容量，则：Cevei＝h(2ei)Cwi＝Qi[1‑h(ei′)]Csi＝Qi[1‑h(ei′)]‑h(2ei)其中，Qi为接收第i帧接收数据帧Ci′的接收率；6)接收者对Csi进行判定：6.1)若Csi>0，则由Ci″和Csi利用哈希函数提纯产生第i段接收端安全比特序列Si′；6.2)若Csi＝0，则令第i段接收端安全比特序列Si′为空；7)判断发送者是否接收到Cs1：若未收到，则令i＝i+1，重新返回步骤3)；若收到，则令i＝i+1，进入步骤8)；8)令下标计数器a＝1；9)记发送者在发送Ci‑1期间收到接收者反馈的Csa，则发送者将参数i‑1通过辅助信道发送给接收者，发送者准备发送数据帧Ci,，并对Csa进行判定：9.1)若Csa＝0，则无法安全传输信息，令M1保持不变，重复步骤3.1)，生成对应的Xi，Si，Wi，Ci和Ri；9.2)若Csa>0，则发送方由Ca利用哈希函数提纯得到长为floor(N·Csa)的安全比特序列Si，floor()表示向下取整，发送者选取和Si等长的有效信息比特序列Xi，Xi长度记为Length(Xi)，并由Si加密Xi得到待传比特序列Wi，采用编码效率Ri，由Wi编码产生长为N的发送数据帧Ci并发送给接收者，更新M1＝M1+Length(Xi)；10)接收者接收到i‑1和Ci′，重复步骤4)，得到Wi′和Ci″，并对Csa进行判定：10.1)若Csa＝0，则Ci′没有传输有效信息，令M2保不变持；10.2)若Csa>0，则用第a段接收端安全比特序列Sa′解密Wi′得到Xi′，Xi′长度记为Length(Xi′)，完成一段有效信息的接收，更新M2＝M2+Length(Xi′)；11)令i＝i+1，a＝a+1，重复步骤9)‑10)，当M1≥L时，则发送者发送有效信息完毕；当M2≥L时，则接收者接收到全部有效信息，本次通信完毕。