量子通信 第五章量子安全直接通信

2
AB
AB
③ Bob自己保留粒子B（home qubit），将粒子A（travel
qubit）通过量子信道发送给Alice。
消息传输模式
Alice进行 模式选择
控制模式
发送‘0’ Alice对粒子 A进行操作
发送‘1’
操作U 0
操作 U1
Alice对粒子A进行测量
Bob对粒子B进行测量 结果不同
对比测量结果
Alice将粒子A返回给Bob Bob对粒子A和B行Bell基测量
结果相同 存在窃听者，Bob丢弃已收到的信息
图5.3 Ping-Pong协议流程图
5.1.1 量子安全直接通信的基本概念
5.1.1 量子安全直接通信的基本概念：
1.量子安全直接通信无需产生量子密钥，可 以直接安全地传输机密信息，提高了通信效 率。
2. 与量子密码通信类似，量子安全直接通信 的安全性也是由量子力学中的不确定性关系 和非克隆定理以及纠缠粒子的关联性和非定 域性等量子特性来保证的，其安全性体现在 窃听者得不到任何机密信息。
5.1.1 量子安全直接通信的基本概念
3.与量子密钥分发的不同在于，量子密钥分发 要求能够检测出窃听者，放弃通信过程就可 以了。但量子安全直接通信传递的是信息， 要求在检测到窃听者之前没有泄露信息。
可以说，能用于量子安全直接通信的方法一 定能用于量子密钥分发，反之不然。
5.1.2 量子安全直接通信的条件
AB 01 AB 10 AB 2
并将A粒子（travel qubit）发送给Alice，自己保留B粒子 （home qubit）。Alice在收到A粒子后，以一定的概率 随机地选择控制模式或消息传输模式，并对A粒子进行 相应操作。
5.2.1 Ping-Pong协议描述
经典通信
经典信道
判断窃听者 测量
相应的编码操作，并将编码后的A粒子返回给Bob。如果
信息比特是‘0’则对粒子UA进0 行0 0 1 1
操作；
如果信息比特是‘1’，则对粒子A进U1 行 0 0 1 1
操作。经过Alice对粒子A的编码操作后，可得：
， U0 I
AB
AB
U1 I
AB
AB
(5-1)
其中 I 0 0 1 1
1 PBS BA
0
纠缠源
量子信道
Bob
经典通信 测量
0 PBS 1
单光子测量 Alice
图5.1 乒乓协议的控制模式
5.2.1 Ping-Pong协议描述
如果Alice选择控制模式，如图5.1所示，则Alice对粒
子A在 z 0 , 1 基下进行测量，并通过经典信道
将测量结果告诉Bob。Bob在接收到Alice的通知后， 对自己保留的粒子B也在基 z 下进行测量，并将测 量结果和Alice的测量结果进行比较。如果Alice和Bob 的测量结果不相同，则说明不存在窃听者，继续通信； 如果Alice和Bob的测量结果相同，则说明存在窃听， 此次通信无效。
主要内容
5.2 Ping-Pong量子安全直接通信协议
5.2.1 Ping-Pong协议描述
Ping-Pong协议是由Bostrom和Felbinger在2002年提出的 直接通信协议，它是以纠缠粒子为信息载体，利用了局 域编码的非局域性进行安全通信。假设Alice为通信的 发送方，Bob为通信的接收方，则每次Bob制备一个两 光子的最大纠缠态，
5.1.2 量子安全直接通信的条件
判断一个量子通信方案是否是一个真正的量子安全直接 通信的四个基本依据是： （1）除因安全检测的需要而相对于整个通信可以忽略的少 量的经典信息交流外，接收者Bob接收到传输的所有量 子态后可以直接读出机密信息，原则上对携带机密信息 的量子比特不再需要辅助的经典信息交换； （2）即使窃听者监听了量子信道他也得不到机密信息，他 得到的只是一个随机的结果，不包含任何机密信息； （3）通信双方在机密信息泄漏前能够准确判断是否有人监 听了量子信道； （4）以量子态作为信息载体的量子数据必需以块状传输。
第5章 量子安全直接通信
主要内容
5.1 量子安全直接通信概述 5.2 Ping-Pong量子安全直接通信协议 5.3 基于纠缠光子对的量子安全直接通信 5.4 基于单光子的量子安全直接通信
5.1 量子安全直接通信概述
含义：
通常把通信双方以量子态为信息载体，利用量子力 学原理和各种量子特性，通过量子信道传输，在通 信双方之间安全地、无泄漏地直接传输有效信息， 特别是机密信息的方法，称为量子安全直接通信 (Quantum Secure Direct Communication ,QSDC) 。
5.1.2 量子安全直接通信的条件
量子安全直接通信作为一个安全的直接通信方式， 它具有直接通信和安全通信两大特点，因而它需要满足 两个基本要求： (l)作为合法的接收者Bob，当他接收到作为信息载体的量 子态后，应该能直接读出发送者Alice发来的机密信息 而不需要与Alice交换额外的经典辅助信息。 (2) 即使窃听者Eve监听了量子信道，她也得不到任何机密 信息。
5.2.1 Ping-Pong协议描述
Ping-Pong协议的流程如图5.3所示，详细描述如下：
① 协议初始化：n=0。要发送的信息表示
为： xN (x1, x2......xN ) ，其中 xn {0,1}。
② n n1 。Alice和Bob 设置为信息模式，Bob准备两粒子
纠缠态
。 1
( 01 10 )
， ( 01 10 )
AB
AB
AB
2
Bob收到Alice返回的粒子A后，对其和本地保留的粒
子B进行Bell基联合测量。如果测量结果为 AB ，则可
断定Alice发送的信息为‘0’，如果测量结果为 AB ，则 可断定Alice发送的信息为‘1’。
Bob制备纠缠对 AB
Bob将粒子A发送给Alice
5.2.1 Ping-Pong协议描述
信息解码
信息编 码控制
A BSM
BA 纠缠源
2
1 量子信道
A U1 1
A U0 0
Bob
Alice
图5.2 乒乓协议的消选择的是消息传输模式，如图5.2所示，
Alice根据要传递的信息比特是‘0’或‘1’对粒子A进行