基于連續(xù)變量受多方控制的量子對話協(xié)議的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于信息安全技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及連續(xù)變量量子對話協(xié)議。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著經(jīng)典計算機計算能力的增強和量子計算機研宄的不斷深入，經(jīng)典密碼系統(tǒng)的 安全性將面臨日益嚴重的威脅。以經(jīng)典密碼學(xué)和量子信息學(xué)等為基礎(chǔ)的量子密碼，其無條 件安全性由量子測不準原理和量子不可克隆定理保證，而正是這些基本原理保證了量子密 碼在理論上具有無條件安全性，使得量子通信具有良好的性能和應(yīng)用前景。
[0003] 由于量子通信具有無條件安全性，世界各國正不斷加大對量子通信理論與技術(shù)領(lǐng) 域的科研投入。2004年，BBN公司、哈佛大學(xué)和波士頓大學(xué)合作實現(xiàn)了世界上第一個量子 通信網(wǎng)絡(luò)。2006年，日經(jīng)BP社報道了三菱電機、NBC、東京大學(xué)生產(chǎn)研宄所利用兩個不同 的量子加密系統(tǒng)開發(fā)出一種新型網(wǎng)絡(luò)，標志著量子密碼實用化技術(shù)已經(jīng)初步成熟。從2007 年開始，中國科大、清華大學(xué)聯(lián)合研宄小組在北京八達嶺與河北懷來之間架設(shè)了長達16km 自由空間量子信道，于2009年成功實現(xiàn)了世界上最遠距離的量子隱形傳態(tài)，首次證實了在 自由空間進行量子隱形傳態(tài)的可行性，向全球化量子通信網(wǎng)絡(luò)的最終實現(xiàn)邁出了重要一 步。2012年奧地利蔡林格小組利用西班牙加納利群島的良好環(huán)境在大氣中傳輸量子態(tài)長達 143km打破了中國此前先后于北京和青海湖創(chuàng)下的16km與97km大氣內(nèi)的傳輸世界紀錄。 2014年1月，我國首個量子通信領(lǐng)域的國家級重大工程一一量子保密通信"京滬干線"技術(shù) 驗證和應(yīng)用示范項目一一初步設(shè)計方案和概算編制完成，并通過專家評審，這條世界上最 遠距離的光纖量子通信干線的光纖距離達到2000km，并已經(jīng)開建。"京滬干線"不僅將為政 府和金融機構(gòu)提供最高安全等級的通信保障，也將成為檢驗量子物理基本原理和測試、應(yīng) 用新技術(shù)的試驗床。
[0004] 目前，量子通信主要包括量子密鑰分配（Quantumkeydistribution,QKD)、量子 安全直接通信（Quantumsecuredirectcommunication,QSDC)、量子秘密共享（Quantum secretsharing,QSS)、量子身份認證以及量子數(shù)字簽名等。隨著量子通信理論與技術(shù)的不 斷發(fā)展，QSDC已成為量子通信的一個重要分支，它是一種不同于QKD的新型量子通信方式。 QSDC是通信雙方以量子態(tài)作為信息載體，在量子信道中直接傳遞秘密信息，不需事先建立 共享密鑰。QSDC的顯著優(yōu)點為：（1)接收者收到粒子后能直接通過測量接收粒子得到發(fā)送 者編碼的秘密信息；（2)量子信道中可能存在的竊聽者無法獲得秘密信息卻不被合法通信 者發(fā)現(xiàn)。對于QSDC直接傳輸秘密信息而言，信號的丟失意味著信息泄露，因此必須采用更 安全的方式進行信息傳輸。QSDC主要采用了塊傳輸和分步傳輸?shù)姆绞?，在確認量子信道安 全后才傳送信息載體量子態(tài)或者進行信息編碼操作，從而避免信息泄露。QSDC的安全性一 般是基于量子不可克隆定理、量子測不準原理以及量子糾纏的非定域關(guān)聯(lián)性等。自2000年 提出QSDC協(xié)議以來，量子安全直接通信得到了迅速的發(fā)展。QSDC在社會生活的許多方面都 有望發(fā)揮不可估量的作用，尤其在緊急情況下，如軍事領(lǐng)域和商業(yè)領(lǐng)域中，一條及時準確的 秘密信息利益攸關(guān)。
[0005] 量子對話（Quantumdialogue，QD)是雙向的量子安全直接通信，具有量子安全直 接通信的特性。量子對話協(xié)議自提出以來便由于其具有即時性、通信雙方可同時交換彼此 的秘密信息、不需要事先共享密鑰、容易存在信息泄露等特點激發(fā)了人們的巨大興趣。自 2004年第一個量子對話協(xié)議被提出以來，量子對話協(xié)議受到研宄者的高度重視，已提出的 量子對話協(xié)議主要基于糾纏光子對或單光子等離散變量量子態(tài)，導(dǎo)致量子對話協(xié)議在現(xiàn)有 條件下存在實現(xiàn)困難、傳輸效率不高等問題，基于連續(xù)變量量子態(tài)的量子通信能很好地解 決這些問題。另一方面，隨著量子通信技術(shù)的發(fā)展，各式各樣的量子對話協(xié)議不斷被提出， 量子對話這一通信技術(shù)正從理論向應(yīng)用過渡，以往的受單方控制的量子對話方案在多方量 子網(wǎng)絡(luò)通信中并不適用。因此，迫切需要對受多方控制的量子對話協(xié)議進行深入研宄。
[0006] 現(xiàn)有的幾種量子對話協(xié)議在不同側(cè)面為后續(xù)研宄提供了重要的啟示。但是量子對 話協(xié)議中涉及的諸多問題尚未解決，例如：離散變量量子通信所需要的理想單光子源和單 光子探測器仍然很難實現(xiàn)；單光子在信道中傳輸，容易被環(huán)境吸收或者受到干擾，傳輸效率 和傳輸距離有限；受單方控制的量子對話協(xié)議難以滿足未來多方量子網(wǎng)絡(luò)通信的需要。為 了保持量子對話協(xié)議的優(yōu)越性，提出了基于連續(xù)變量受多方控制的量子對話協(xié)議，在保證 量子對話具有無條件安全的同時，還具有連續(xù)變量量子通信易于物理實現(xiàn)、傳輸效率高和 抗噪聲性能強等優(yōu)點，另外受多方控制的實現(xiàn)機制能夠滿足未來多方量子網(wǎng)絡(luò)通信的實際 需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的之一是將連續(xù)變量引入量子對話協(xié)議中，在現(xiàn)有情況下連續(xù)變量具 有的易于物理實現(xiàn)、傳輸效率高和抗噪聲性能強等優(yōu)點，為量子對話協(xié)議的實現(xiàn)及現(xiàn)實應(yīng) 用提供依據(jù)。
[0008] 考慮到量子對話的實用性，本發(fā)明的另一個目的是將m(meN#)個控制方引入到 量子對話協(xié)議中，這樣才能滿足未來多方量子網(wǎng)絡(luò)通信的實際需求。
[0009] 本發(fā)明的目的之三是提出一個基于連續(xù)變量受多方控制的量子對話協(xié)議，作為一 種新的量子對話協(xié)議模型，該方案具有量子通信特有的無條件安全性，同時還具有以往基 于離散變量量子對話模型和受單方控制的量子對話模型所不具備的優(yōu)點，如：易于物理實 現(xiàn)、傳輸效率高、抗噪聲性能強和滿足未來多方量子網(wǎng)絡(luò)通信需求等。該發(fā)明應(yīng)能在量子通 信中發(fā)揮其獨特作用。
[0010] 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的。
[0011] (1)本發(fā)明的技術(shù)方案：在協(xié)議開始前，Alice和Bob共享一套編碼規(guī)則（圖1)，通 信雙方將所要發(fā)送的離散信息按照一定的編碼規(guī)則進行區(qū)間劃分（LDPC碼或Turbo碼），產(chǎn) 生位平移算符。Alice通過非簡并光學(xué)參量放大（NOPA)過程制備一類連續(xù)變量量子態(tài)一一 雙模壓縮真空態(tài)。通信雙方通過平移操作將自己的秘密信息編碼到糾纏光學(xué)模上，每一個 控制方均對自己接收到的糾纏光學(xué)模進行相應(yīng)的平移操作，通信雙方只有在得到所有控制 方的同意之后，才能得到對方的秘密信息，如果有一個控制方不同意此次通信，通信雙方將 得不到對方的秘密信息。
[0012] (2)本發(fā)明所述的量子對話過程:Alice通過平移操作將自己的秘密信息編碼到