法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2022-08-12
未缴年费专利权终止 IPC(主分类):H04L 9/08 专利号:ZL2012103270198 申请日:20120905 授权公告日:20150617
专利权的终止
2020-03-06
专利权的转移 IPC(主分类):H04L9/08 登记生效日:20200217 变更前: 变更后: 申请日:20120905
专利申请权、专利权的转移
2015-06-17
授权
授权
2014-07-16
著录事项变更 IPC(主分类):H04L9/08 变更前: 变更后: 申请日:20120905
著录事项变更
2013-01-23
实质审查的生效 IPC(主分类):H04L9/08 申请日:20120905
实质审查的生效
2012-11-28
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技术领域
本发明涉及信息保密通信领域。本发明设计一种基于腔QED(quantumelectrodynamics)的量子隐写协议,秘密消息通过在腔QED中一个GHZ态和一个Bell态之间的纠缠交换和Hadamard操作实现隐秘传送。
背景技术
量子隐写是经典隐写在量子领域的推广,是量子通信的一个新的研究分支。量子隐写的目标在于通过量子隐藏信道实现秘密消息的隐秘通信。量子隐写在许多方面有着重要的应用,如隐秘通信、量子身份认证等,并且最近已经开始吸引许多学者的注意力。在2007年,Martin[1]提出一种新的基于BB84量子密钥分配(quantum key distribution,QKD)协议[2]的量子隐写协议。Martin的量子隐写协议通常被认为是第一个量子隐写协议。在2010年,Liao等[3]提出一种基于Guo等的量子秘密共享(quantum secret sharing,QSS)协议[4]的多方量子隐写协议。在2010年,Qu等[5]提出一种新颖的基于改进ping-pong协议(IBF)[6]的大容量量子隐写协议。然而,上述量子隐写协议或多或少存在一些缺点。文献[1]和文献[3]的隐藏信道的容量都只有1比特每轮隐秘通信,这对于高效的隐秘通信来说是过于小的。尽管文献[5]的隐藏信道的容量增加到4比特,但是提取秘密消息时需要进行Bell基测量,相比于局部单独测量,这显得相对复杂。
基于以上分析,本发明致力于改进上述量子隐写协议的缺点。本发明提出一种基于腔QED的量子隐写协议。本发明的量子隐写协议通过在腔QED中一个GHZ态和一个Bell态之间的纠缠交换和Hadamard操作实现隐秘传送秘密消息。本发明的量子隐写协议解码2比特秘密消息时只需要进行局部单独测量而不需要进行联合Bell基测量。而且,本发明的量子隐写协议的隐藏信道的容量可以增加到4比特。因此,由于局部单独测量和大隐藏容量,相比于上述量子隐写协议,本发明的量子隐写协议具有优势。
参考文献
[1]K.Martin,IH2007,LNCS,4567(2007)32.
[2]C.H.Bennett,G.Brassard,Proc.Int.Conf.on Computers,Systems & SignalProcessing,Bangalore,India,IEEE,New York,1984,pp:175-179.
[3]X.Liao,Q.Y.Wen,Y.Sun,J.Zhang,J.Syst.Software,83(2010)1801.
[4]G.P.Guo,G.C.Guo,Phys.Lett.A,310(2003)247.
[5]Z.G.Qu,X.B.Chen,X.J.Zhou,X.X.Niu,Y.X.Yang,Opt.Commun.,283(2010)4782.
[6]Q.Y.Cai,B.W.Li,Phys.Rev.A,69(2004)054301.
[7]C.J.Shan,J.B.Liu,T.Chen,T.K.Liu,Y.X.Huang,H.Li,Int.J.Theor.Phys.,49(2010)334.
[8]S.B.Zheng,Phys.Rev.A,68(2003)035801
[9]S.B.Zheng,G.C.Guo,Phys.Rev.Lett.,85(2000)2392.
发明内容
本发明的目的是设计一种基于腔QED的量子隐写协议,秘密消息通过在腔QED中一个GHZ态和一个Bell态之间的纠缠交换和Hadamard操作实现隐秘传送。
一种基于腔QED的量子隐写协议,包括以下六个过程:
S1)分别产生大量(n)的|S->ABC和|ψ->DE作为原子A、B、C和原子D、E的初始状态。GA、GB、GC、GD、GE分别代表A、B、C、D、E的原子序列。因此,GA=[A1,A2,…,An],GB=[B1,B2,…,Bn],GC=[C1,C2,…,Cn],GD=[D1,D2,…,Dn],GE=[E1,E2,…,En]。原子A、D属于Alice,原子B、C、E属于Bob。那么,Alice保存GA、GD,Bob保存GB、GC、GE。
S2)信息传送模块:(a)根据信息比特序列,Alice分别对GA和GD施加酉操作(在对GA和GD的原子施加酉操作后,GA转化为G′A,GD转化为G′D。为了保持一致,尽管GB、GC和GE的原子没有被施加酉操作,仍然分别用G′B、G′C、G′E来代表原始的GB、GC、GE。也就是G′B与GB一样,G′C与GC一样,G′E与GE一样。);(b)Alice根据秘密消息从G′D选择出两个原子D′m、D′m+1,然后进入秘密消息隐藏模块;(c)Alice通过量子信道将G′A和G′D传送回Bob;(d)在收到G′D和得到m的值后,Bob通过对D′mE′m进行Bell基测量解码出它们所携带的信息。
S3)秘密消息隐藏模块:(a)根据秘密信息,Alice从G′D选择出两个原子D′m、D′m+1,其中下标m代表原子D′m在G′D中的位置。m的值必须满足一致性条件,也就是意味着A′mB′mC′m的初始GHZ态和D′mE′m的初始Bell态必须与秘密消息保持编码对应的一致性(在通过执行IBF或经典信道的一次一密将m传送给Bob之前,一个合适的m可以事先被Alice确定[5]。);(b)通过事先对Dm+1施加同样的酉操作,D′mE′m所携带的信息可以被D′m+1E′m+1复制。也就是,D′m+1E′m+1不正常传送信息,而只是作为一个辅助的Bell态以协助隐藏秘密消息。
S4)Bob同时将原子A′m、D′m+1送入一个单模腔。在经典场的驱动下,原子A′m、D′m+1同时与单模腔相互作用。Bob选择作用时间和拉比频率满足λt=π/4和Ωt=π。
S5)Bob同时将原子B′m、E′m+1送入另一个单模腔。在经典场的驱动下,原子B′m、E′m+1同时与单模腔相互作用。Bob选择作用时间和拉比频率满足λt=π/4和Ωt=π。
S6)秘密消息解码模块:(a)Bob对原子C′m施加Hadamard操作;(b)当它们飞出腔后,Bob以Z基{|e>,|g>}分别测量原子A′m、D′m+1的状态;(c)当它们飞出腔后,Bob以Z基{|e>,|g>}分别测量原子B′m、E′m+1的状态;(d)Bob以Z基{|e>,|g>}测量原子C′m的状态;(e)根据自己关于原子A′m、D′m+1,原子B′m、E′m+1和原子C′m的测量结果,Bob可以解码出Alice传送的秘密消息。然后,根据秘密消息和D′mE′m的状态,A′mB′mC′m携带的信息可以被恢复出来。
附图说明
图1是基于腔QED的量子隐写协议的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步描述。
1、编码方案
GHZ态是三原子最大纠缠态,构成8维Hilbert空间的一组完整正交基。Bell态是两原子最大纠缠态,构成4维Hilbert空间的一组完整正交基。不失一般性,假设原子A、B、C处于四个GHZ态>>中的一个,原子D、E处于四个Bell态
U0→00,U1→01,U2→10,U3→11. (1)
容易验证,施加酉操作后,上述四个GHZ态可以彼此相互转化。同样地,施加酉操作后,上述四个Bell态也可以彼此相互转化。
不失一般性,假设原子A、B、C的初态为|S->ABC,原子D、E的初态为|ψ->DE。假设两个单模腔完全一样。Alice首先通过量子信道将原子A、D传送给Bob。然后,Bob同时将原子A、D送入一个单模腔。在经典场的驱动下,原子A、D同时与单模腔相互作用。接着,Bob同时将原子B、E送入另一个单模腔。在经典场的驱动下,原子B、E也同时与单模腔相互作用。在旋波近似下,原子与单模腔之间的哈密顿量为[7-9]
其中,>为原子下降算符,
>
其中
其中λ=g2/2δ。因此,腔泄露和热腔场的影响可以被消除。Bob在两种演化情形都选择作用时间和拉比频率满足λt=π/4和Ωt=π。然后,Bob对原子C施加Hadamard操作>那么整个系统最终将演化为:
>
>
>
将|ψ->DE推广到其他三个Bell态|ψ+>DE、|φ->DE和|φ+>DE,如果演化条件和过程与上述一样,整个系统最终将分别演化为:
>
>
>
>
>
>
>
>
>
根据式(5)-(8),整个系统演化后,原子A、D,原子B、E,原子C的每个结果唯一对应于上述四种已知初始态中的一种。演化后由原子A、D,原子B、E,原子C的不同结果组成的四个集合可以编码为:
{|ee>AD|gg>DE|g>C,|eg>AD|eg>DE|g>C,|ge>AD|ge>DE|g>C,|gg>AD|ee>BE|g>C,|ee>AD|ee>BE|e>C,|eg>AD|ge>BE|e>C,|ge>AD|eg>BE|e>C,|gg>AD|gg>BE|e>C}→00 (9)
{|ee>AD|ee>BE|g>C,|eg>AD|ge>BE|g>C,|ge>AD|eg>BE|g>C,|gg>AD|gg>BE|g>C,|ee>AD|gg>BE|e>C,|eg>AD|eg>BE|e>C,|ge>AD|ge>BE|e>C,|gg>AD|ee>BE|e>C}→11 (10)
{|eg>AD|ee>BE|g>C,|ge>AD|gg>BE|g>C,|gg>AD|eg>BE|g>C,|ee>AD|ge>BE|g>C,|ge>AD|ee>BE|e>C,|eg>AD|gg>BE|e>C,|gg>AD|ge>BE|e>C,|ee>AD|eg>BE|e>C}→01 (11)
{|ee>AD|eg>BE|g>C,|eg>AD|gg>BE|g>C,|ge>AD|ee>BE|g>C,|gg>AD|ge>BE|g>C,|ee>AD|ge>BE|e>C,|eg>AD|ee>BE|e>C,|ge>AD|gg>BE|e>C,|gg>AD|eg>BE|e>C}→10 (12)
进一步将|S->ABC推广到其他三个GHZ态|S+>ABC、|P+>ABC和|P->ABC,将原子A、D,原子B、E,原子C由原子A、B、C和原子D、E的不同初始态演化得到的不同结果组成的所有结果集合列在表1中。举原子A、B、C和原子D、E的初始态分别为|S+>ABC和|ψ+>DE为例子。
2、量子隐写协议
本发明的量子隐写协议的目标是Alice通过量子隐藏信道将秘密消息隐秘地传送给Bob。图1是基于腔QED的量子隐写协议的流程图,包括以下五个过程:
S1)分别产生大量(n)的|S->ABC和|ψ->DE作为原子A、B、C和原子D、E的初始状态。GA、GB、GC、GD、GE分别代表A、B、C、D、E的原子序列。因此,GA=[A1,A2,…,An],GB=[B1,B2,…,Bn],GC=[C1,C2,…,Cn],GD=[D1,D2,…,Dn],GE=[E1,E2,…,En]。原子A、D属于Alice,原子B、C、E属于Bob。那么,Alice保存GA、GD,Bob保存GB、GC、GE;
表1原子A、D,原子B、E,原子C由原子A,B,C和原子D,E的不同初始态演化得到的不同结果组成的所有结果集合(上标表示Uj的编码,j=0,1,2,3)
S2)信息传送模块:(a)根据信息比特序列,Alice分别对GA和GD施加酉操作(在对GA和GD的原子施加酉操作后,GA转化为G′A,GD转化为G′D。为了保持一致,尽管GB、GC和GE的原子没有被施加酉操作,仍然分别用G′B、G′C、G′E来代表原始的GB、GC、GE。也就是G′B与GB一样,G′C与GC一样,G′E与GE一样。);(b)Alice根据秘密消息从G′D选择出两个原子D′m、D′m+1,然后进入秘密消息隐藏模块;(c)Alice通过量子信道将G′A和G′D传送回Bob;(d)在收到G′D和得到m的值后,Bob通过对D′mE′m进行Bell基测量解码出它们所携带的信息。
S3)秘密消息隐藏模块:(a)根据秘密消息,Alice从G′D选择出两个原子D′m、D′m+1,其中下标m代表原子D′m在G′D中的位置。m的值必须满足一致性条件,也就是意味着A′mB′mC′m的初始GHZ态和D′mE′m的初始Bell态必须与秘密消息保持如表1所示的一致性(在通过执行IBF或经典信道的一次一密将m传送给Bob之前,一个合适的m可以事先被Alice确定[5]。);(b)通过事先对Dm+1施加同样的酉操作,D′mE′m所携带的信息可以被D′m+1E′m+1复制。也就是,D′m+1E′m+1不正常传送信息,而只是作为一个辅助的Bell态以协助隐藏秘密消息。
S4)Bob同时将原子A′m、D′m+1送入一个单模腔。在经典场的驱动下,原子A′m、D′m+1同时与单模腔相互作用。Bob选择作用时间和拉比频率满足λt=π/4和Ωt=π。
S5)Bob同时将原子B′m、E′m+1送入另一个单模腔。在经典场的驱动下,原子B′m、E′m+1同时与单模腔相互作用。Bob选择作用时间和拉比频率满足λt=π/4和Ωt=π。
S6)秘密消息解码模块:(a)Bob对原子C′m施加Hadamard操作;(b)当它们飞出腔后,Bob以Z基{|e>,|g>}分别测量原子A′m、D′m+1的状态;(c)当它们飞出腔后,Bob以Z基{|e>,|g>}分别测量原子B′m、E′m+1的状态;(d)Bob以Z基{|e>,|g>}测量原子C′m的状态;(e)根据自己关于原子A′m、D′m+1,原子B′m、E′m+1和原子C′m的测量结果,利用式(9)-(12),Bob可以解码出Alice传送的秘密消息。然后,根据秘密消息和D′mE′m的状态,利用表1,A′mB′mC′m携带的信息可以被恢复出来。
实施例:
1、量子隐写协议应用举例
假设Alice想要传送给Bob的2比特秘密消息是00。Alice产生信息序列...1111...0000...1001...0110...传送给Bob(信息以每2比特划分,因为每个Uj代表2比特信息)。假设11、00、10、01的组号分别为6、10、15、19。在S3,Alice可以令m分别等于6、10、15、19以满足表1所示的一致性。假如m=6,A′6B′6C′6将会是|S+>,D′6E′6将会是|ψ+>。相应地,秘密消息00通过在腔QED中A′6B′6C′6和D′7E′7之间的纠缠交换和Hadamard操作进行传送。假如m=10、15、19,用同样的方法,秘密消息00也可以被传送给Bob。既然作为一个辅助Bell态以协助隐藏秘密消息,D′7E′7不能够像其他正常Bell态一样传送信息。在S6中,Bob对原子C′6施加Hadamard操作。然后,Bob以Z基{|e>,|g>}分别测量原子A′6、D′7,原子B′6、E′7,原子C′6的状态。利用式(9)-(12),Bob将推断出秘密消息为00。因此,既然Bob知道秘密消息是00和D′6E′6的状态是|ψ+>,根据表1,Bob能够很容易地推断出A′6B′6C′6携带的信息为11。
2、讨论与总结
在每轮隐秘通信中,尽管本发明的量子隐写协议恢复原始信息时需要进行1次Bell基测量,本发明的量子隐写协议解码2比特秘密消息时只需要进行局部单独测量。在每轮隐秘通信中,文献[5]的量子隐写协议恢复原始信息时需要进行1次Bell基测量,而且解码2比特秘密消息时需要进行2次Bell基测量。因此,本发明的量子隐写协议比文献[5]的协议执行起来更加简单。另外,在本发明的量子隐写协议中,2比特秘密消息通过在腔QED中一个A′mB′mC′m的GHZ态和一个D′m+1E′m+1的Bell态之间的纠缠交换和Hadamard操作实现传送(D′m+1E′m+1复制了D′mE′m携带的信息,扮演一个辅助Bell态来协助隐藏秘密消息)。很容易知道,每2比特秘密消息可以由四种不同的初始态进行传送。例如,根据表1,00可以由四种不同的初始态
1111→00,0000→01,1001→10,0110→11 (13)
本发明提出一种基于腔QED的量子隐写协议。本发明的量子隐写协议不受腔泄露和热腔场的影响。本发明的量子隐写协议解码2比特秘密消息时只需要进行局部单独测量而不需要进行联合Bell基测量。而且,隐藏信道的容量可以增加到4比特。
机译: 一种基于安全性选择不同协议的量子通信系统
机译: 一种用于在手机中传输会话发起协议消息的传输协议的选择方法,包括基于手机中基于互联网协议的语音的执行模式选择传输协议
机译: 基于量子的遗忘传输和私有数据采样协议以及执行该协议的系统