量子密钥分发与量子安全直接通信

量子通信具有高安全性等优点,是当前的国际研究前沿,量子安全直接通信和量子密钥分发是两种重要的量子信息方式.量子密钥分发通过量子信道产生随机的密钥,而量子安全直接通信直接在量子信道中传输秘密信息.本文力图利用浅显易懂的语言介绍量子安全直接通信和量子密钥分发的基本原理;重点描述几个典型的量子安全直接通信方案,介绍目前的发展状态并展望未来.     

量子通信研究进展与应用

量子通信利用量子信道进行信息的编码、传输和处理,具有安全性高和信道容量高等特点。量子保密通信以信息安全为主要目的,包括量子密钥分发、量子安全直接通信和量子秘密共享等模式。利用量子纠缠,量子隐形传态根据事先已经分发的纠缠粒子对实现不传输实物粒子而传输未知粒子的状态,量子密集编码通过传输一个粒子而实现两个粒子信息的传输,这些是经典通信无法实现的任务。文章简单介绍量子通信的内容和进展情况。     

基于量子催化的离散调制连续变量量子密钥分发

相比于离散变量量子密钥分发,连续变量量子密钥分发虽然具备更高的安全码率等优势,但是在安全传输距离上却略有不足.尽管量子催化的运用对高斯调制连续变量量子密钥分发协议的性能,尤其在安全传输距离方面有着显著的提升,然而能否用来改善离散调制协议的性能却仍然未知.鉴于上述分析,本文提出了一种基于量子催化的离散调制协议的方案,试图在安全密钥率、安全传输距离和最大可容忍过噪声方面进一步提升协议性能.研究结果表明,在相同参数下,当优化量子催化引入的透射率T,相比于原始四态调制协议,所提方案能够有效地提升量子密钥分发的性能.特别是,对于可容忍过噪声为0.002,量子催化可将安全通信距离突破300 km,密钥率为10^-8bits/pulse,而过大的可容忍噪声会抑制量子催化对协议性能的改善效果.此外,为了彰显量子催化的优势,本文给出了点对点量子通信的最终极限Pirandola-Laurenza-Ottaviani-Banchi边界,仿真结果表明,虽然原始方案与所提方案都未能突破这种边界,但是相比于前者,后者能够在远距离通信上逼近于这种边界,这为实现全球量子安全通信的最终目标提供理论依据.     

基于光前置放大器的量子密钥分发融合经典通信方案

量子密钥分发融合经典通信方案将连续变量量子密钥分发和经典通信合并到了一起,为将来在现有的光网络上同时进行密钥分发和经典通信提供了一个有效的方法.然而,在量子信号上叠加一个经典信号将会给连续变量量子密钥分发系统引入过噪声从而大大降低系统的性能.本文提出基于光前置放大器的量子密钥分发融合经典通信方案,即在接收端插入光前置放大器来提升系统的性能.首先,在相同比特误码率条件下,光前置放大器对信号的放大能够降低对发送端经典信号调制振幅的要求,从而降低经典信号对量子信号的噪声影响;其次,光前置放大器能够补偿接收端探测器的不完美;再次,对于本地本振光的情形,放大器还能放大弱相位参考脉冲,从而降低参考脉冲散粒噪声带来的相位过噪声.在实际可达到的系统参数下,数值仿真结果表明本文提出的方案相比于原方案在安全密钥率和传输距离上都有很好的提升.这些结果表明本方案为量子密钥分发融合经典通信方案的进一步发展和实际应用提供了一个十分有效而实用的方法.     

具有双向认证功能的量子秘密共享方案

利用两粒子纠缠态作为经典信息的载体,结合Hash函数和量子本地操作提出了一种可以实现双向认证功能的量子秘密共享方案,并且分析了它的安全性. 这种方案的安全性基于秘密共享双方的认证密钥和传输过程中粒子排列次序的保密. 若不考虑认证和窃听检测所消耗的粒子,平均1个Bell态共享2 bit经典信息. 关键词： 量子秘密共享 认证密钥 量子双向认证 两粒子量子纠缠     

基于六光子量子避错码的量子密钥分发方案

量子信道中不可避免存在的噪声将扭曲被传输的信息,对通信造成危害。目前克服量子信道噪声的较好方案是量子避错码（QEAC）。将量子避错码思想用于量子密钥分发,能有效克服信道中的噪声,且无需复杂的系统。用六光子构造了量子避错码,提出了一种丛于六光子避错码的量子密钥分发（QDK）方案。以提高量子密钥分发的量子比特效率和安全性为前提,对六光子避错码的所有可能态进行组合,得到一种六光子避错码的最优组合方法,可将两比特信息编码在一个态中,根据测肇结果和分组信息进行解码,得到正确信息的平均概率为7／16。与最近的基于四光子避错码的克服量子信道噪声的量子密钥分发方案相比,该方案的量子比特效率提高了16．67％,密钥分发安全性足它的3．5倍。     

基于随机相位编码的确定性量子密钥分配

提出一种新的随机相位编码的确定性量子密钥分配(QKD)方案.在该方案中，通信双方不需要公布测量基，就可以共享秘密信息，提高了密钥生成效率.因为传输的量子比特是随机编码的，即便光源非严格为单光子，该方案仍旧是安全的.理论分析显示出，对于光子数分裂攻击，中间人攻击和特洛伊木马等攻击手段，本方案比之前的QKD方案具有更强的安全性.     

一种新的预报单光子源诱骗态量子密钥分发方案

提出一种新的预报单光子源诱骗态量子密钥分发方案.在发端采用参量下变换产生纠缠光子对,其中之一用来进行预报探测,根据探测结果将另一路光脉冲分成两个集合,其中预报探测有响应的脉冲集合用作信号态,无响应的脉冲集合作为诱骗态.由于探测效率的问题,这两个集合都是有光子的,通过这两个集合的通过率和错误率估计出单光子的通过率和错误率.此方法不需要改变光强,简单可行.仿真结果表明：该方法可以达到完美单光子源的安全通信距离;与预报单光子源的量子密钥分发相比,密钥产生率有了很大的提高;和三强度预报单光子源诱骗态量子密钥分发的 关键词： 量子保密通信 量子密钥分发 诱骗态 预报单光子源     

预报单光子源诱骗态量子密钥产生率及数值计算

独立推导预报单光子源诱骗态量子密钥分发的密钥产生率计算公式,讨论密钥产生率和发送端探测效率的关系;进行弱相干光和预报单光子源诱骗态量子密钥分发的最优强度估计和密钥产生率数值计算.结果表明,预报单光子源诱骗态量子密钥分发的密钥产生率随着发送端探测效率的增加而增加,其安全通信距离与完美单光子源的通信距离一致;诱骗态量子密钥分发可提高安全通信距离和密钥产生率;预报单光子源由于减少了暗计数的影响,进一步提高了安全通信距离.     

利用诱骗信号方案进行实用的量子密钥分发

真实量子密钥分发系统中不完善的单光子源和信道损耗的存在,使得现有基于弱相干态的量子密码实验在分束攻击下并不安全,诱骗信号方案能实现基于现有技术绝对安全的量子密钥分发,并能有效提高密钥分发率和安全传输距离,因此成为近年来量子通信研究的热点问题.结合现实量子密码系统的一般模型,介绍目前几种典型的诱骗信号方案以及实验进展,综述了诱骗信号方案的发展情况和最新成果,并对未来的研究方向进行了展望.     

Measurement-device-independent quantum secure direct communication

Quantum secure direct communication(QSDC)is a unique technique,which supports the secure transmission of confidential information directly through a quantum channel without the need for a secret key and for ciphertext.Hence this secure communication protocol fundamentally differs from its conventional counterparts.In this article,we report the first measurement-deviceindependent(MDI)QSDC protocol relying on sequences of entangled photon pairs and single photons.Explicitly,it eliminates the security loopholes associated with the measurement device.Additionally,this MDI technique is capable of doubling the communication distance of its conventional counterpart operating without using our MDI technique.We also conceive a protocol associated with linear optical Bell-basis measurements,where only two of the four Bell-basis states could be measured.When the number of qubits in a sequence reduces to 1,the MDI-QSDC protocol degenerates to a deterministic MDI quantum key distribution protocol.     

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.     

Three-step semiquantum secure direct communication protocol

Quantum secure direct communication is the direct communication of secret messages without need for establishing a shared secret key first. In the existing schemes, quantum secure direct communication is possible only when both parties are quantum. In this paper, we construct a three-step semiquantum secure direct communication (SQSDC) protocol based on single photon sources in which the sender Alice is classical. In a semiquantum protocol, a person is termed classical if he (she) can measure, prepare and send quantum states only with the fixed orthogonal quantum basis {|0〉, |1〉}. The security of the proposed SQSDC protocol is guaranteed by the complete robustness of semiquantum key distribution protocols and the unconditional security of classical one-time pad encryption. Therefore, the proposed SQSDC protocol is also completely robust. Complete robustness indicates that nonzero information acquired by an eavesdropper Eve on the secret message implies the nonzero probability that the legitimate participants can find errors on the bits tested by this protocol. In the proposed protocol, we suggest a method to check Eves disturbing in the doves returning phase such that Alice does not need to announce publicly any position or their coded bits value after the photons transmission is completed. Moreover, the proposed SQSDC protocol can be implemented with the existing techniques. Compared with many quantum secure direct communication protocols, the proposed SQSDC protocol has two merits: firstly the sender only needs classical capabilities; secondly to check Eves disturbing after the transmission of quantum states, no additional classical information is needed.     

Multiparty Quantum Secret Sharing of Secure Direct Communication Using Teleportation

We present an (n,n) threshold quantum secret sharing scheme of secure direct communication using Greenberger-Horne-Zeilinger state and teleportation.After ensuring the security of the quantum channel,the sender encodes the secret message directly on a sequence of particle states and transmits it to the receivers by teleportation.The receivers can recover the secret message by combining their measurement results with the sender's result.If a perfect quantum channel is used,our scheme is completely secure because the transmitting particle sequence does not carry the secret message.We also show our scheme is secure for noise quantum channel.     

Quantum secure direct communication with quantum encryption based on pure entangled states

This paper presents a scheme for quantum secure direct communication with quantum encryption. The two authorized users use repeatedly a sequence of the pure entangled pairs (quantum key) shared for encrypting and decrypting the secret message carried by the travelling photons directly. For checking eavesdropping, the two parties perform the single-photon measurements on some decoy particles before each round. This scheme has the advantage that the pure entangled quantum signal source is feasible at present and any eavesdropper cannot steal the message.     

A New Quantum Communication Scheme by Using Bell States

A new quantum communication scheme based on entanglement swapping is presented. Simplified calculation symbols are adopted to realize the process. Quantum key distribution and quantum secure direct communication can be simultaneously accomplished in the scheme. Two legitimate communicators can secretly share four certain key bits and four random key bits via three EPR pairs (quantum channels).     

控制的量子隐形传态和控制的量子安全直接通信

我们提出了一个控制的量子隐形传态方案。在这方案中，发送方Alice 在监督者Charlie的控制下以他们分享的三粒子纠缠态作为量子通道将二能级粒子未知态的量子信息忠实的传给了遥远的接受方Bob。我们还提出了借助此传态的控制的量子安全直接通信方案。在保证量子通道安全的情况下， Alice直接将秘密信息编码在粒子态序列上，并在Charlie控制下用此传态方法传给Bob。Bob可通过测量他的量子位读出编码信息。由于没有带秘密信息的量子位在Alice 和Bob之间传送，只要量子通道安全， 这种通信不会泄露给窃听者任何信息， 是绝对安全的。这个方案的的特征是双方通信需得到第三方的许可。     

基于单光子双量子态的确定性安全量子通信

量子通信是量子科学技术的一个重要研究领域,是一种利用量子力学原理,能够在合法各方之间安全地传输私密信息的通信方式.基于单光子的确定性安全量子通信通常需要在发送方和接收方之间来回两次传输单光子态,并利用局域幺正变换加载信息.本文提出了一种单向传输单光子态的确定性安全量子通信方案.发送方利用单光子的极化和time-bin两自由度构成的两组共轭基矢量来编码经典逻辑比特.接收方通过设计合适的测量装置可以在发送方辅助下确定性地获取比特信息并感知窃听,从而实现信息的确定性安全传输.另外,我们的协议使用线性光学元件和单光子探测器,可以在当前的量子通信装置上实现.     

Quantum Secure Direct Communication with W State

A new theoretical scheme for quantum secure direct communication is proposed, where four-qubit symmetric W state functions as quantum channel. It is shown that two legitimate users can directly transmit the secret messages by using Bell-basis measurements and classical communication. The scheme is completely secure if the quantum channel is perfect. Even if the quantum channel is unsecured, it is still possible for two users to perform their secure communication. One bit secret message can be transmitted by sending a bit classical information.