量子通信 第五章量子安全直接通信
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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，
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。
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
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 )
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) 。
， ( 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
5.1.1 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。
5.2.1 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
Baidu Nhomakorabea
A U1 1
A U0 0
Bob
Alice
图5.2 乒乓协议的消息传输模式
5.2.1 Ping-Pong协议描述
如果Alice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
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。
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
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
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。
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，
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。
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
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
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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) 。
， ( 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
5.1.1 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。
5.2.1 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
Baidu Nhomakorabea
A U1 1
A U0 0
Bob
Alice
图5.2 乒乓协议的消息传输模式
5.2.1 Ping-Pong协议描述
如果Alice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
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。
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
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
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。