集体旋转噪声信道上的量子安全直接通信

基于集体噪声的思想,构造一个两粒子无消相干子空间,进而提出了一个可抵抗旋转噪声的双向量子安全直接通信协议.消息分发者直接将一比特秘密信息编码到对应的相干保持态,接收者执行确定的测量来解码消息.此外,通过对一些常见攻击情形的分析,对协议的安全性进行简要的讨论.     

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.     

量子安全直接通信

量子通信利用量子力学原理进行信息传输和处理,具有高安全、高容量等优点.量子安全直接通信在量子信道中直接传输秘密信息,是一种新式的量子通信模式.自2000年提出以来,量子安全直接通信得到了迅速的发展.该文综述量子安全直接通信的基本原理,描述几个典型的量子安全直接通信协议.最后介绍量子安全直接通信的最新发展动态,展望量子安全直接通信的未来.     

联合噪声下的量子离物传态

提出了利用四光子纠缠态进行联合退相位噪声和联合转动噪声下的量子离物传态方案.信息态的发送者Alice,根据噪声的不同,制备不同的四光子纠缠态,并把其中两个光子发送给Bob,另两个光子保留.Alice对手中的信息态和其中一个保留态进行联合Bell基测量,从而把信息态的部分信息转移到了Bob手中的光子上,然后Alice和Bob再对相应的光子做单光子测量,Bob根据单光子测量结果对手中未做单光子测量的光子实施合适的酉算符操作,从而得到信息态,实现联合噪声下的量子离物传态.本方案牵涉到两方(Alice和Bob),可以推广到多方可控离物传态.另外方案中仅需要进行联合Bell基测量和单光子测量,在实验上具有可行性.     

重新审视量子对话和双向量子安全直接通信的安全性

从信息论和密码学的角度分析了两个量子对话协议和一个双向量子安全直接通信协议的安全性,指出这些协议中传输的信息将会被部分地泄露出去．也就是说,任何窃听者都可以从合法通信者的公开声明中提取到部分秘密信息．而这种现象在量子安全通信中是不该出现的．事实上,很多近期提出的类似协议中也存在这个问题．希望在今后的研究中信息泄露的问题能够得到大家的重视．     

集体幅值阻尼信道上的量子安全直接通信

针对幅值阻尼信道,提出了一个高效的量子安全直接通信协议.协议利用两粒子量子态编码一个逻辑比特,从而可以抵抗集体幅值阻尼效应.消息分发者直接将秘密编码,接收者执行确定的测量解码消息,测量不存在测量基不匹配的情况.量子态传输过程利用非正交态不可区分性保证其安全性.此外,利用量子计算的基本操作构造了量子线路以实现信道编码和信息编码.     

基于4粒子纠缠态的量子安全直接通信

提出了一个利用4粒子纠缠态实现量子安全直接通信的方案.在该方案中,由于携带信息的粒子不需要在公共信道上传输,使得这一方案是决定性的和安全的.     

基于半导体量子点的量子通信

光子源和纠缠光子对的制备是量子信息产生和传输过程的源头,是实现量子通信的重要前提条件.半导体量子点固体系统具有可集成性和可扩展性的优点,并且与现有的半导体光电子学技术密切相关,近年来在单光子源和纠缠光子对制备方面取得了重要的进展,是未来全固态量子通信的重要元器件.从量子通信的基本原理出发,阐述了制备单光子源和纠缠光子对的重要性,介绍如何解析推导出圆形常规半导体量子点中的电子结构,描述了圆形拓扑绝缘体量子点中边缘态具有双重简并的电子结构,能级间隔与量子点的具体形状无关,并且具有自旋轨道锁定的特性,总结了实验和理论上在利用这一独特的电子结构制备单光子源和纠缠光子对方面取得的重要进展.     

基于双向量子隐形传态上的双向量子安全直接通信

提出了一种利用EPR对和纠缠交换的双向量子隐形传态;在这个协议中,双方可同时发送一个未知的单一量子比特给对方,而且在实际操作中比以前的提出的协议更加简单;利用提出的双向量子隐形传态,建立了一种新的双向量子安全直接通信协议,协议在通信过程中不需要传递携带秘密信息的量子比特,大大提高了量子通信的安全信.     

量子噪声对大气激光通信系统极限通信距离的影响

量子噪声是通信系统中的基本噪声,它的存在制约了通信的有效距离．通过推导给出了仅考虑量子噪声引起的误码率公式,并且提出了大气激光通信极限通信距离的概念．通过数值仿真,分析了激光器发射功率、发射孔径半径以及接收孔径半径和极限通信距离之间的关系,并以此提出了一些设计大气激光通信系统时相应的解决途径．     

没有纠缠的门限量子安全直接通信

第一次提出了一种门限量子安全直接通信(TQSDC)方案. 类似于经典的Shamir秘密共享方案, 发送者生成秘密密钥K的n个影子S₁, …, S_n, 每一接收者秘密保持一个影子. 如果发送者想要发送一个秘密消息M给接收者, 他将K和M的信息编码到一单光子序列并发送给其中一个接收者. 根据秘密影子, t个接收者按序对单光子序列实施相应的幺正操作并获得秘密消息M. 如果没有窃听者在线, 所共享的影子可以重复使用. 我们的协议利用目前的技术是可行的.     

基于GHZ态的三方量子安全直接通信

利用Greenberger-Home—Zeilinger态的纠缠特性,提出一个三方量子安全直接通信方案,参与者通过对Greenberger—Home—Zeilinger态进行单粒子幺正操作,编码其一比特经典消息,最后每个参与者都可根据自身的秘密消息获得另外两个参与者发送的秘密消息。此外,对协议在理想情况下的安全性进行简要的分析,表明该协议是安全的。     

自由空间量子通信实验研究与进展

量子通信的安全性是基于Heisenberg测不准原理、单光子不可分割性和量子不可克隆定理，它遵从物理规律，是绝对安全的.近年来量子通信技术的迅速发展加快了量子通信的实用化进程.文中综述自由空间量子通信实验研究进展，简要介绍几种量子编码协议、不同类型单光子源的量子通信实验，说明全球量子通信的实现可能存在的问题与技术挑战，展望了自由空间量子通信的未来.     

二粒子未知态的受控量子通信

提出了一个利用七粒子态传送一个二粒子未知态的多方受控量子通信方案。该方案中发送者指定一名控制者,它不能接收二粒子未知态,但是它可以和发送者一起协助接收者重构二粒子未知态。发送者对自己拥有的4个粒子做一次von-Neumann联合测量,控制者在计算基下对它的粒子做测量。接收者根据两次测量结果对自己拥有的粒子做相应的幺正操作,就可以构造出发送者所发送的未知态。可以设置多名接收者,使它们都受到控制者的约束,从而实现多方受控量子通信。     

基于EPR对的量子控制传态和通信

提出了一种利用EPR对作为量子通道的量子控制传态方案,方案中以EPR对作为量子通道包括进了第3方,以便量子通道可以被其控制,量子信息只有在三方都同意的情况下才能实现传输．以这种量子控制传态为基础,还提出了一种量子安全直接通信方案．     

50 km光纤中量子保密通信

最近完成的“即插即用”型长距离光纤中量子保密通信实验系统. 该系统采用Faraday旋转反射镜补偿偏振色散和相位抖动, 并采用门限脉冲驱动的符合单光子探测技术以降低Rayleigh背向散射等造成的干扰, 从而进一步减少噪声. 量子保密通信实验的工作距离可达50 km, 稳定工作时间不小于6 h. 并且通过局域网TCP协议实现了密文的传递, 初步展现了实用化的前景.     

一种星型网络中的双向量子安全直接通信方案

基于三粒子GHZ态特点,结合其在星型网络中的通信应用,提出了一种双向量子安全直接通信方案。通过对三粒子幺正变换的设计,可实现双向通信中一对量子传输4 bit经典信息,提高了通信效率。方案的安全性分析表明,利用GHZ态粒子间所选择的幺正变换及测量相关性可抵御窃听者的被动式和截获重发式攻击。该方案具有较高的通信效率,并且保障了信息的安全传输。     

量子交换机与结合量子通信与经典通信的新模式

在引入量子交换机概念的基础上,提出了经典通信向量子通信过渡时期的一种新的通信模式.利用纠缠交换通过量子交换机来建立量子信道,使得通信方避免了复杂的量子技术.使用经典通信信道来传输无直接关联的信息随机数序列,保证了通信的大容量和高效性.