基于连续变量受多方控制的量子对话协议.pdf

一种基于连续变量受多方控制的量子对话协议，通信双方通过平移操作将自己的秘密信息编码到纠缠光学模上，每一个控制方均对纠缠光学模进行相应的平移操作，只有在得到所有控制方同意的情况下，通信双方才能推知对方的秘密信息。双模压缩态的模间关联性和诱骗光学模的引入保证了协议的安全性。与离散变量量子对话协议和受单方控制的量子对话协议相比，该协议易于实现、传输效率较高且能满足未来多方量子网络通信的实际需求，因此该协议更具实际意义。

权利要求书1.  一种基于连续变量受多方控制的量子对话协议，其特征是引入连续变量量子态，在任意多个控制方的控制下实现量子对话协议。2.  根据权利要求1所述的基于连续变量受多方控制的量子对话协议，其特征是将m(m∈N*)个控制方引入到量子对话协议中。3.  根据权利要求1所述的基于连续变量受多方控制的量子对话协议，其特征是按如下步骤：步骤1：Alice随机选择双模压缩算符ξ(r)或ξ(-r)作用于光学模a01，a02产生纠缠的光学模a11，a12，其中xa11=xa01cosh(r)±xa02sinh(r)pa11=pa01cosh(r)±pa02sinh(r)xa12=xa02cosh(r)±xa01sinh(r)pa12=pa02cosh(r)±pa01sinh(r)---(6)]]>Alice按照编码规则进行区间划分，然后Alice将通信内容分成n块，进行分块传输；假设第i块通信内容对应的比特序列为010101，i≤n；此时，Alice产生随机变量xA∈(v1,v2]，yA∈(v4,v5]，并将位平移算符DA(aA＝xA+iyA)作用于a11，产生a21；xa21=xa11+Re(M)=xa11+xA---(7)]]>Pa21=Pa11+Im(M)=pa11+yA]]>步骤2：为确保通信过程绝对安全，Alice制备decoy纠缠光学模用来检测量子信道是否被窃听，Alice将平移算符作用于产生Alice将a21，通过一个量子信道发送给第一个控制方Charlie，通过另一个量子信道将a12，发送给Charlie；步骤3：Charlie通过经典信道告诉Alice已经收到了a21，和a12，Alice和Charlie联合检测这两对纠缠光学模的传送是否安全；(a1)Alice通过经典信道告诉Charlie是检测光学模；(a2)Charlie对进行Bell基测量，并公布测量结果；(a3)Alice根据Charlie的测量结果，可以判断出纠缠光学模在传输过程中是否被窃听，如果没有被窃听，则继续进行下一步操作；(a4)反之，则放弃此次通信，重新开始新一次通信；步骤4：Charlie任意选择位平移算符分别作用于a21，产生a31，操作完成后，将光学模a31，和a12，发送给下一个控制方Dick；步骤5：Dick通过经典信道告诉Alice和Charlie已经成功收到了从Charlie传送过来的光学模，(a1)Alice和Charlie分别公布各自的检测平移操作和(a2)Charlie告诉Dick是检测光学模；(a3)Dick对进行Bell基测量；(a4)根据Alice和Charlie公布的平移操作，Dick可以判断出纠缠光学模在传输过程中是否被窃听，如果没有被窃听，则继续进行下一步操作；(a5)反之，则放弃此次通信，重新开始新一次通信；步骤6：与步骤4中Charlie执行的平移操作类似，Dick将平移算符D2，分别作用于光学模a31和产生a41，然后将产生的光学模传送给下一个控制方；步骤7：在最后一个控制方Zach执行完步骤5和步骤6后，Zach将操作后的光学模a(m+2)1和发送给Bob；步骤8：Zach和Bob联合执行安全检测；(a1)Alice和所有的控制方分别公布各自的检测平移操作(a2)Zach告诉Bob和是检测光学模；(a3)Zach对和进行Bell基测量；(a4)根据Alice和所有控制方公布的平移操作，Zach可以判断出纠缠光学模在传输过程中是否被窃听，如果没有被窃听，则继续进行下一步操作；(a5)反之，则放弃此次通信，重新开始新一次通信；步骤9：Bob将自己的秘密信息按照编码规则进行区间划分，产生随机变量xB∈(v1,v2]，yB∈(v3,v4]，然后Bob将位平移算符作用于a(m+2)1，产生光学模a(m+3)1；Bob对纠缠光学模a(m+3)1和a12进行Bell基联合测量得：xu=12(xa(m+3)1-xa12)=12(xa11+xA+xD1+xD2+...+xDm+xB-xa12)pu=12(pa(m+3)1+pa12)=12(pa11+yA+yD1+yD2+...+yDm+yB+pa12)---(8)]]>当r→+∞时，以振幅为例，此时Bob测量所得结果为12(xa11+xA+xD1+xD2+...+xDm+xB-xa12),]]>即可得到xA+xD1+xD2+...+xDm+xB,]]>yA+yD1+yD2+...+yDm+yB,]]>并公布该测量结果；步骤10：如果所有控制方均同意此次通信过程，他们各自公布自己的位平移操作D1，D2，…，Dm；以振幅为例，Bob根据自己的编码信息xB和测量结果结合所有控制方公布的平移操作的振幅分量Bob可以推出Alice的秘密信息xA；同理Alice也可以推出Bob的秘密信息xB，参照编码规则，通信双方可以获得对方的秘密信息，完成一次量子对话；如果有一个控制方不同意此次通信，通信双方将得不到对方的秘密信息。

说明书基于连续变量受多方控制的量子对话协议
技术领域
本发明属于信息安全技术领域，特别涉及连续变量量子对话协议。
背景技术
随着经典计算机计算能力的增强和量子计算机研究的不断深入，经典密码系统的安全性将面临日益严重的威胁。以经典密码学和量子信息学等为基础的量子密码，其无条件安全性由量子测不准原理和量子不可克隆定理保证，而正是这些基本原理保证了量子密码在理论上具有无条件安全性，使得量子通信具有良好的性能和应用前景。
由于量子通信具有无条件安全性，世界各国正不断加大对量子通信理论与技术领域的科研投入。2004年，BBN公司、哈佛大学和波士顿大学合作实现了世界上第一个量子通信网络。2006年，日经BP社报道了三菱电机、NBC、东京大学生产研究所利用两个不同的量子加密系统开发出一种新型网络，标志着量子密码实用化技术已经初步成熟。从2007年开始，中国科大、清华大学联合研究小组在北京八达岭与河北怀来之间架设了长达16km自由空间量子信道，于2009年成功实现了世界上最远距离的量子隐形传态，首次证实了在自由空间进行量子隐形传态的可行性，向全球化量子通信网络的最终实现迈出了重要一步。2012年奥地利蔡林格小组利用西班牙加纳利群岛的良好环境在大气中传输量子态长达143km打破了中国此前先后于北京和青海湖创下的16km与97km大气内的传输世界纪录。2014年1月，我国首个量子通信领域的国家级重大工程——量子保密通信“京沪干线”技术验证和应用示范项目——初步设计方案和概算编制完成，并通过专家评审，这条世界上最远距离的光纤量子通信干线的光纤距离达到2000km，并已经开建。“京沪干线”不仅将为政府和金融机构提供最高安全等级的通信保障，也将成为检验量子物理基本原理和测试、应用新技术的试验床。
目前，量子通信主要包括量子密钥分配(Quantum key distribution,QKD)、量子安全直接通信(Quantum secure direct communication,QSDC)、量子秘密共享(Quantum secret sharing,QSS)、量子身份认证以及量子数字签名等。随着量子通信理论与技术的不断发展，QSDC已成为量子通信的一个重要分支，它是一种不同于QKD的新型量子通信方式。QSDC是通信双方以量子态作为信息载体，在量子信道中直接传递秘密信息，不需事先建立共享密钥。QSDC的显著优点为：(1)接收者收到粒子后能直接通过测量接收粒子得到发送者编码的秘密信息；(2)量子信道中可能存在的窃听者无法获得秘密信息却不被合法通信者发现。对于QSDC直接传输秘密信息而言，信号的丢失意味着信息泄露，因此必须采用更安全的方式进行信息传输。QSDC主要采用了块传输和分步传输的方式，在确认量子信道安全后才传送信息载体量子态或者进行信息编码操作，从而避免信息泄露。QSDC的安全性一般是基于量子不可克隆定理、量子测不准原理以及量子纠缠的非定域关联性等。自2000年提出QSDC协议以来，量子安全直接通信得到了迅速的发展。QSDC在社会生活的许多方面都有望发挥不可估 量的作用，尤其在紧急情况下，如军事领域和商业领域中，一条及时准确的秘密信息利益攸关。
量子对话(Quantum dialogue,QD)是双向的量子安全直接通信，具有量子安全直接通信的特性。量子对话协议自提出以来便由于其具有即时性、通信双方可同时交换彼此的秘密信息、不需要事先共享密钥、容易存在信息泄露等特点激发了人们的巨大兴趣。自2004年第一个量子对话协议被提出以来，量子对话协议受到研究者的高度重视，已提出的量子对话协议主要基于纠缠光子对或单光子等离散变量量子态，导致量子对话协议在现有条件下存在实现困难、传输效率不高等问题，基于连续变量量子态的量子通信能很好地解决这些问题。另一方面，随着量子通信技术的发展，各式各样的量子对话协议不断被提出，量子对话这一通信技术正从理论向应用过渡，以往的受单方控制的量子对话方案在多方量子网络通信中并不适用。因此，迫切需要对受多方控制的量子对话协议进行深入研究。
现有的几种量子对话协议在不同侧面为后续研究提供了重要的启示。但是量子对话协议中涉及的诸多问题尚未解决，例如：离散变量量子通信所需要的理想单光子源和单光子探测器仍然很难实现；单光子在信道中传输，容易被环境吸收或者受到干扰，传输效率和传输距离有限；受单方控制的量子对话协议难以满足未来多方量子网络通信的需要。为了保持量子对话协议的优越性，提出了基于连续变量受多方控制的量子对话协议，在保证量子对话具有无条件安全的同时，还具有连续变量量子通信易于物理实现、传输效率高和抗噪声性能强等优点，另外受多方控制的实现机制能够满足未来多方量子网络通信的实际需求。
发明内容
本发明的目的之一是将连续变量引入量子对话协议中，在现有情况下连续变量具有的易于物理实现、传输效率高和抗噪声性能强等优点，为量子对话协议的实现及现实应用提供依据。
考虑到量子对话的实用性，本发明的另一个目的是将m(m∈N*)个控制方引入到量子对话协议中，这样才能满足未来多方量子网络通信的实际需求。
本发明的目的之三是提出一个基于连续变量受多方控制的量子对话协议，作为一种新的量子对话协议模型，该方案具有量子通信特有的无条件安全性，同时还具有以往基于离散变量量子对话模型和受单方控制的量子对话模型所不具备的优点，如：易于物理实现、传输效率高、抗噪声性能强和满足未来多方量子网络通信需求等。该发明应能在量子通信中发挥其独特作用。
本发明是通过以下技术方案实现的。
(1)本发明的技术方案：在协议开始前，Alice和Bob共享一套编码规则(图1)，通信双方将所要发送的离散信息按照一定的编码规则进行区间划分(LDPC码或Turbo码)，产生位平移算符。Alice通过非简并光学参量放大(NOPA)过程制备一类连续变量量子态——双模压缩真空态。通信双方通过平移操作将自己的秘密信息编码到纠缠光 学模上，每一个控制方均对自己接收到的纠缠光学模进行相应的平移操作，通信双方只有在得到所有控制方的同意之后，才能得到对方的秘密信息，如果有一个控制方不同意此次通信，通信双方将得不到对方的秘密信息。
(2)本发明所述的量子对话过程：Alice通过平移操作将自己的秘密信息编码到纠缠光学模上，再将操作后的纠缠光学模发送给第一个控制方Charlie，Charlie对接收到的纠缠光学模进行平移操作，然后将操作后的光学模发送给下一个控制方Dick，接下来的每一个控制方均对自己接收到的纠缠光学模进行平移操作，且平移操作算符由每一个控制方自己决定。最后一个控制方Zach将操作后的光学模发送给Bob，Bob通过平移操作将自己的秘密信息编码到接收到的纠缠光学模上。如果所有控制方同意Alice和Bob进行量子对话，则所有控制方公布各自的位平移操作，通过Bell基测量Bob能得到Alice的秘密信息，结合Bob公布的测量结果，Alice同样能得到Bob的秘密信息。主要依据是：
基础知识：
在量子光学中，一个光束的两个正则分量振幅x和相位p可以用产生算符和湮灭算符a表示为

其中[x,p]＝2i，且x和p满足Heisenberg不确定性关系：Δx·Δp≥1。双模压缩真空态可以由两个真空态通过非简并光学参量放大(NOPA)过程来制备

a11，a12的振幅和相位可以表示为
xa11=xa01cosh(r)+xa02sinh(r)pa11=pa01cosh(r)-pa02sinh(r)xa12=xa02cosh(r)+xa01sinh(r)pa12=pa02cosh(r)-pa01sinh(r)---(3)]]>
计算两个输出的正交振幅和相位的关联方差
<[Δ(xa11-xa12)]2>=<[Δ(pa11+pa12)]2>=2e-2r<[Δ(xa11+xa12)]2>=<[Δ(pa11-pa12)]2>2e2r---(4)]]>
当压缩参数r→+∞时，输出模a11，a12具有很强的关联性
limr&RightArrow;+∞xa11=xa12limr&RightArrow;+∞pa11=-pa12---(5)]]>
此时a11，a12的振幅正相关，相位负相关；当压缩参数r→-∞时a11，a12仍有很强的关联性，此时振幅负相关，相位正相关。
编码规则：
协议开始前，Alice和Bob共享一套编码规则(图1)，通信双方将所要发送的离散信息按照一定的编码规则进行区间划分(LDPC码或Turbo码)，假设把坐标区间分为(-∞，x1)，[x1,x2)，…，[xn-1,xn)，[xn,+∞)如果秘密信息是010101，则产生随机变量x∈(v1,v2]，y∈(v4,v5]，再将位平移算符D(a＝x+iy)作用于相应的光学模上，编码完成。
附图说明
图1是离散信息的编码规则。
图2是基于连续变量的受控量子对话协议模型。
具体实施方案
下面结合实施方案和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
假设Alice要与Bob进行量子对话，但须经过m个控制方(Charlie,Dick,,,Zach)的同意，通信双方才能获得对方的秘密信息。基于连续变量的受控量子对话协议模型(图2)，具体步骤如下：
步骤1：Alice随机选择双模压缩算符ξ(r)或ξ(-r)作用于光学模a01，a02产生纠缠的光学模a11，a12，其中
xa11=xa01cosh(r)&PlusMinus;xa02sinh(r)]]>
pa11=pa01cosh(r)&PlusMinus;pa02sinh(r)]]>
xa12=xa02cosh(r)&PlusMinus;xa01sinh(r)---(6)]]>
pa12=pa02cosh(r)&PlusMinus;pa01sinh(r)]]>
Alice按照图1的编码规则进行区间划分，然后Alice将通信内容分成n块，进行分块传输。假设第i块通信内容对应的比特序列为010101，i≤n。此时，Alice产生随机变量xA∈(v1,v2]，yA∈(v4,v5]，并将位平移算符DA(aA＝xA+iyA)作用于a11，产生a21；

xa12=xa11+Re(M)=xa11+xA---(7)]]>
Pa21=Pa11+Im(M)=pa11+yA]]>
步骤2：为确保通信过程绝对安全，Alice制备decoy纠缠光学模用来检测量子信道是否被窃听，Alice将平移算符作用于产生Alice将a21，通过一个量子信道发送给第一个控制方Charlie，通过另一个量子信道将a12，发送给Charlie；
步骤3：Charlie通过经典信道告诉Alice他已经收到了a21，和a12，Alice和Charlie联合检测这两对纠缠光学模的传送是否安全。(a1)Alice通过经典信道告诉是检测光学模；(a2)Charlie对进行Bell基测量，并公布测量结果；(a3)Alice根据Charlie的测量结果，可以判断出纠缠光学模在传输过程中是否被窃听，如果没有被窃听，则继续进行下一步操作；(a4)反之，则放弃此次通信，重新开始新 一次通信；
步骤4：Charlie任意选择位平移算符D1(a1＝x1+iy1)，分别作用于a21，产生a31，操作完成后，将光学模a31，和a12，发送给下一个控制方Dick；
步骤5：Dick通过经典信道告诉Alice和Charlie他已经成功收到了从Charlie传送过来的光学模，(a1)Alice和Charlie分别公布各自的检测平移操作和(a2)Charlie告诉和是检测光学模；(a3)Dick对和进行Bell基测量；(a4)根据Alice和Charlie公布的平移操作，Dick可以判断出纠缠光学模在传输过程中是否被窃听，如果没有被窃听，则继续进行下一步操作；(a5)反之，则放弃此次通信，重新开始新一次通信；
步骤6：与步骤4中Charlie执行的平移操作类似，Dick将平移算符D2，分别作用于光学模a31和产生a41，然后将产生的光学模传送给下一个控制方；
步骤7：在最后一个控制方Zach执行完步骤5和步骤6后(步骤5和步骤6已经被执行了m次)，Zach将操作后的光学模a(m+2)1和发送给Bob；
步骤8：类似步骤5，Zach和Bob联合执行安全检测。(a1)Alice和所有的控制方分别公布各自的检测平移操作(a2)Zach告诉和是检测光学模；(a3)Zach对和进行Bell基测量；(a4)根据Alice和所有控制方公布的平移操作，Zach可以判断出纠缠光学模在传输过程中是否被窃听，如果没有被窃听，则继续进行下一步操作；(a5)反之，则放弃此次通信，重新开始新一次通信；
步骤9：与步骤1类似，Bob将自己的秘密信息按照图1所示的编码规则进行区间划分，产生随机变量xB∈(v1,v2]，yB∈(v3,v4]，然后Bob将位平移算符作用于a(m+2)1，产生光学模a(m+3)1。Bob对纠缠光学模a(m+3)1和a12进行Bell基联合测量得：
xu=12(xa(m+3)1-xa12)=12(xa11+xA+xD1+xD2+...+xDm+xB-xa12)pu=12(pa(m+3)1+pa12)=12(pa11+yA+yD1+yD2+...+yDm+yB+pa12)---(8)]]>
当r→+∞时，以振幅为例，此时Bob测量所得结果为即可得到并公布该测量结果。
步骤10：如果所有控制方均同意此次通信过程，他们各自公布自己的位平移操作D1，D2，…，Dm。以振幅为例，Bob根据自己的编码信息xB和测量结果结合所有控制方公布的平移操作的振幅分量Bob可以推出Alice的秘密信息xA；同理Alice也可以推出Bob的秘密信息xB，参照编码规则，通信双方可以获得对方的秘密信息，完成一次量子对话。如果有一个控制方不同意此次通信，通信双方将得不到对方的秘密信息。