基于GHZ态的多方半量子安全直接通信

量子安全直接通信不需要提前准备密钥,直接通过量子就可以进行秘密信息传递。针对量子通信设备成本较高的问题,基于Greenberger-Horne-Zeilinger(GHZ)态粒子和半量子理论,提出了一个双向三方的半量子安全直接通信(SQSDC)方案。该方案可以实现两个经典方和一个量子方之间的秘密通信,且通过调整GHZ态粒子的个数,可以将经典方扩展至任意多方,因此尤其适用于一个上级单位和多个下级单位之间的通信。方案安全性分析表明,利用GHZ态的纠缠特性进行窃听检测,可以有效地抵抗窃听者的截获测量重发攻击和纠缠测量攻击。在三方通信时,该方案的通信效率达17.65%,具有较高的通信效率。

带双向身份认证的基于单光子和Bell态混合的量子安全直接通信方案

针对量子安全直接通信中身份认证的需要,提出一种带双向身份认证的基于单光子和Bell态混合的量子安全直接通信方案.通信开始前通信双方共享一串秘密信息,先利用单光子来验证接收方的合法性,再利用Bell态粒子验证发送方的合法性,之后将Bell态粒子与单光子混合作为载体发送.每一次发送量子态时都加入窃听检测粒子,而一旦窃听者截获发送粒子,由于得到的是不完整的粒子,窃听者无法恢复原始信息,并且窃听行为会立刻被发现,从而终止通信.本方案中单光子和Bell态充得到分利用,且混合之后的通信能有效提高传输效率和编码容量以及量子比特利用率.安全性分析证明,本方案能抵御常见的外部攻击和内部攻击.

带身份认证的量子安全直接通信方案

针对传统量子安全直接通信方案中需提前假设通信双方合法性的问题,提出一种带身份认证的基于GHZ态(一种涉及至少三个子系统或粒子纠缠的量子态)的量子安全直接通信方案.该方案将GHZ态粒子分成三部分,并分三次发送,每一次都加入窃听检测粒子检测信道是否安全,并在第二次发送的时候加入身份认证,用以验证接收方的身份,在第三次发送完粒子之后,接收方将所有检测粒子抽取出来,之后对GHZ态粒子做联合测量,并通过原先给定的编码规则恢复原始信息.本方案设计简单、高效,无需复杂的幺正变换即可实现通信.安全性分析证明,该方案能抵御常见的内部攻击和外部攻击,并且有较高的传输效率、量子比特利用率和编码容量,最大的优势在于发送方发送信息的时候不需要假设接收方的合法性,有较高的实际应用价值.

量子直接通信

量子直接通信是量子通信中的一个重要分支,它是一种不需要事先建立密钥而直接传输机密信息的新型通信模式.本综述将介绍量子直接通信的基本原理,回顾量子直接通信的发展历程,从最早的高效量子直接通信协议、两步量子直接通信模型、量子一次一密直接通信模型等,到抗噪声的量子直接通信模型以及基于单光子多自由度量子态及超纠缠态的量子直接通信模型,最后介绍量子直接通信的研究现状并展望其发展未来.

量子直接通信

量子通信作为量子信息研究的主要内容，是目前量子信息领域最具应用前景的一个部分。量子密码通信的目的是在合法的通信者之间实现绝对安全的通信过程。量子密钥分配（Quantum Key Distribution，QKD）是量子通信的一个重要研究内容。

基于Bell态粒子和单光子混合的量子安全直接通信方案

为了提高量子安全直接通信的效率,本文提出了一种基于Bell态粒子和单光子混合的量子安全直接通信方案.该方案中Alice将所有Bell态粒子划分为两个序列S_A和S_B,先将S_B发给Bob进行第一次窃听检测,检测结果表示量子信道安全后再将信息序列编码在序列S_A和单光子序列S_S混合的量子态序列上;然后将已编码序列经过顺序重排和添加单光子检测粒子后发给合法接收方Bob.该方案避免了复杂的U变换,简化了方案的实现过程.同时顺序重排和检测粒子的结合保证了方案的安全性.另外3 bits经典信息加载在一个态上的编码规则大大提高了编码容量,从而使信息传输效率也得到提高.

基于量子Calderbank-Shor-Steane纠错码的量子安全直接通信(英文)

量子安全直接通信是继量子密钥分配之后提出的又一重要量子密码协议,它要求通信双方在预先不需要建立共享密钥的情况下就可以实现消息的保密传输.给出了一个新的量子安全直接通信方案,该方案利用量子Calderbank-Shor-Steane(CSS)纠错码和未知量子态不可克隆等性质,方案的安全性建立在求解一般的线性码的译码问题是一个NP完全问题、Goppa码有快速的译码算法和量子图灵机不能有效求解NP完全问题的基础上.在协议中,发送方Alice把要发送的秘密消息转化为一一对应的错误向量,把错误向量加到其接收到的、Bob编码过的量子态上,并发给接收方Bob.Bob利用其私钥,通过测量、解码可以得到错误向量,并可以用相应的算法恢复出秘密消息.控制量子信道的攻击者Eve不能恢复出秘密消息,因其不知道Bob的密钥.与已有的量子安全直接通信方案相比,该方案不需要交换任何额外的经典信息和建立量子纠缠信道.

基于纯纠缠态的量子安全直接通信协议

基于纯纠缠态,提出一种量子安全直接通信协议。通信方利用decoy光子来检测窃听。在保证量子信道的安全后,发送方通过控制非操作和von Neumann测量将秘密消息编码在纯纠缠态上并发送给接收方。由于所有的纯纠缠态都用于传输秘密消息,该协议具有较高的量子比特效率。就实验的可行性来说,该协议可以用当前的技术实现。此外,该协议在噪声量子信道中也是安全的。

一种基于诱骗态的广域量子安全直接通信网络方案

提出了一种基于诱骗态的广域量子安全直接通信网络方案.在每一个局域网中设置一个服务器负责量子态的产生和测量,从而提高了通信距离;将诱骗态的思想引入量子安全直接通信,采用不同的强度发送光脉冲,能够克服光子数目分割攻击,从而提高通信的安全性;根据信道参量估计了不同通信距离的通过率,为信道编码提供了依据.对所提方案进行了安全性分析,结果表明此方案能够实现远距离量子安全直接通信.

基于三粒子W态蜜罐的受控量子安全直接通信协议

三粒子W态作为蜜罐粒子应用于受控量子安全直接通信中,以提高窃听检测率和防止double-CNOT攻击。三粒子W态的每个粒子被随机插入到发送序列中探测窃听,每量子位的窃听探测率达到64%。随机插入的蜜罐粒子可以防止接收者在未经控制者同意获取发送者编码前GHZ态粒子1和粒子2的正确关系,即没有控制者同意接受者无法得到任何秘密信息。在安全性分析中,通过引入熵理论得出了每量子位所能包含的最大信息量,对两种蜜罐策略进行了量化比较。如果窃听者试图窃听秘密信息,用扩展的三粒子GHZ态作为诱惑粒子可以得到每量子位58%的窃听探测率,而用三粒子W态作为诱饵可以得到每量子位64%的窃听探测率。

基于互认证的三维单光子量子安全直接通信

通过定义三维量子态、酉算子以及非正交测量基,提出1个新的基于三维量子比特和互认证机制的单光子量子安全直接通信协议。该协议由量子发送和回收两阶段组成,通信双方各将进行一次身份认证,以确保参与者的合法身份。通信消息将通过酉操作编码到批量三维量子比特上,通过回收过程实现消息的传送。安全分析证明该协议能有效抵抗各类窃听者Eve攻击和伪装攻击。该协议除了具备单光子协议经济实用的优点以外,与二维单光子QSDC方案相比,具有更高的效率优势:每个单光子传输的信息为其他协议的3/2倍。

基于Bell态粒子和单光子混合的量子安全直接通信方案的信息泄露问题

最近,一种基于Bell态粒子和单光子混合的量子安全直接通信方案[物理学报65 230301(2016)]被提出.文章宣称一个量子态可以编码3比特经典信息,从而使得协议具有很高的信息传输效率.不幸的是,该协议存在信息泄露问题:编码在单光子上的3比特经典信息有2比特被泄露,而编码在Bell态上的3比特经典信息有1比特被泄露,所以它不是一个安全的直接量子通信方案.在保留原协议思想且尽可能少地更改原协议的基础上,我们提出一种改进的消息编码规则,从而解决信息泄露问题,使之成为一个高效、安全的量子通信协议.衷心希望研究者能对量子安全通信协议中信息泄露问题引起足够重视,设计真正安全的量子通信协议.

量子安全直接通信研究进展

简要地介绍了量子安全直接通信的必要条件,初步介绍了两个量子安全直接通信模型,即Two-Step和Quantum-One-Time-Pad模型。

噪声情况下的量子网络直接通信

提出和研究了噪声情况下的量子网络直接通信.通信过程中所有量子节点共享多粒子GreenbergerHorne-Zeilinger(GHZ)量子纠缠态;发送节点将手中共享的GHZ态的粒子作为控制比特、传输秘密信息的粒子作为目标比特,应用控制非门(CNOT)操作;每个接收节点将手中共享GHZ态的粒子作为控制比特、接收到的秘密信息粒子作为目标比特,再次应用CNOT门操作从而获得含误码的秘密信息.每个接收节点从秘密信息中提取部分作为检测比特串,并将剩余的秘密信息应用奇偶校验矩阵纠正其中存在的比特翻转错误,所有接收节点获得纠正后的秘密信息.对协议安全、吞吐效率、通信效率等进行了分析和讨论.

量子安全直接通信

"墨子"号量子科学实验卫星的发射,进一步吸引了人们对量子通信的关注.自1984年IBM的Bennett和加拿大蒙特利尔大学的Brassard提出第一个量子密钥随机分配协议以来,量子通信能否进行机密信息的安全直接传输一直是困扰量子通信界的一个难题.2000年,清华大学龙桂鲁等萌芽了量子安全直接通信的初步思想,随后的几年,我们建立了量子安全直接通信的完整理论,创建了4个判据,构造了2个最早期完整的量子安全直接通信代表性方案,为量子安全直接通信方案设计及其应用提供了物理原理依据,吸引了众多学者的关注与投入,促进了这一领域的发展.本文首先以第一个量子秘钥随机分配协议为例介绍量子通信如何为经典保密通信服务;随后,以最早期完整的2个量子安全直接通信方案为基础,阐述了为什么可以进行量子安全直接通信,并介绍量子安全直接通信的物理原理.

基于五粒子团簇态的可控量子安全直接通信

提出了一个利用五粒子团簇态实现的可控量子安全直接通信方案.在这一方案中,首先信息发送者Alice、信息接收者Bob和控制者Charlie共享由Alice制备的一有序序列团簇态作为量子信道;在确定量子信道的安全性以后,Alice制备编码量子态(Bell态)序列,然后通过对自己手中的粒子进行Bell基测量,接着Charlie对自己手中的粒子进行单粒子的测量,就能把信息传送给接收者Bob;最后,Bob测量自己手中的粒子,并通过分析三人的测量结果,从而获得Alice要传送的信息.在我们提出的方案中,携带信息的粒子不需要在公共信道上传输.该文中,我们给出了方案的安全性分析,证明了我们的方案是决定性的和安全的.在未来,我们的方案在以目前的实验技术为基础条件下很可能得到实现.

一种基于互认证的改进型量子直接通信协议(英文)

基于互认证和量子超密编码思想,提出了一种改进型量子直接通信协议.该协议由量子态分发过程和直接通信过程2部分组成,前者的主要目的是实现分发者Trent与用户之间的相互认证,并让2个合法用户(Alice和Bob)共享Bell态;后者将进行Alice与Bob的量子直接通信,以实现两者的消息传递.为了抵抗Eve窃听并同时进行相互身份认证,引入了一种诱骗光子检测方法.与其他同类型协议相比,本协议的量子态分发过程显得更加简单和实用,并且协议本身也更加高效,总效率接近100%.安全分析表明,该协议可有效抵抗窃听攻击、伪装攻击及一些特殊的Trent攻击,包括采用不同初始态的Trent攻击.

基于d维Bell纠缠态的量子安全直接通信方案

为提高昌燕等提出的量子安全直接通信的通信效率和安全性,设计了基于d维Bell纠缠态的量子安全直接通信方案.通信前发送方(Alice)对d维Bell态粒子进行么正变换来编码秘密信息,将变换后的d维Bell态粒子二序列发送给接收方(Bob),利用通信双方各自的POVM测量结果和Bell态粒子的纠缠特性,结合部分经典信息实现秘密消息的传输。采用熵理论、概率论分析协议的安全性,结果表明提出方案是安全的,且比昌燕等提出方案的传输效率高,窃听探测率也提高了11%。

基于cluster态的信道容量可控的可控量子安全直接通信方案

提出了一种基于五粒子cluster态的信道容量可控的可控量子安全直接通信方案.通信三方利用五粒子cluster态自身的粒子分布情况,结合诱骗光子,对粒子分别做Z基单粒子测量和Bell基测量,便可完成信道的第一次安全性检测.通信控制方Cindy通过对手中的粒子序列随机选用测量基(Z基或者X基)测量来决定信道容量,并通过经典信道公布结果.发送方Alice将要发送的信息以及校检信息用于对手中的粒子序列进行幺正操作编码,并插入诱骗光子后将编码后的粒子序列发给接收方Bob并通过经典信道告知其诱骗光子的位置信息.Bob接收到粒子序列后,按照经典信道Alice发送的信息,结合Cindy公布的信息,剔除诱骗光子后按照一定的规则对手中的两组粒子序列进行Bell基测量,便可解码完成第二次安全性检测以及得到Alice发送的信息.通过对五粒子cluster态的纠缠结构性质进行分析,阐明了五粒子cluster态在该方案中所表现出的特点的物理缘由.结果表明,只需变化测量基的规则和用于编码的粒子,可以将该方案推广成可控双向量子安全直接通信.

两步量子安全直接通信协议的信息论分析

从信息论的角度分析了一个典型的两步量子直接通信方案的安全性,计算了该量子直接通信过程中攻击者Eve所能获得的信息量及在Eve进行攻击后合法通信者所能接收的信息量,为合法者对量子直接通信的安全性判定和对敌手的检测提供了一定的依据和标准。