利索能及
我要发布
收藏
专利号: 202210230562X
申请人: 南京邮电大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-09-09
缴费截止日期: 暂无
联系人

摘要:

权利要求书:

1.一种基于超纠缠和单光子测量的量子安全直接通信方法,其特征在于:包括如下步骤:步骤1,发送者Alice制备m对相同的空间‑极化超纠缠光子对,从每个超纠缠光子对中取出一个光子,形成序列SB,并发送给接受者Bob,剩下的光子形成序列SA,存储到量子存储器中;

步骤2,接受者Bob收到序列SB后对每个光子在空间、极化两个自由度中随机选取直角基或者对角基进行测量,发送者Alice根据接受者Bob公布的测量结果,舍弃SA序列中与SB序列中传输丢失的光子相对应的光子;

步骤3,Bob随机选择SB序列中的n个光子作为安全性检测光子,公布其测量基与测量结果,Alice提取出SA序列中对应位置的光子,对其在两个自由度中使用与Bob相同的测量基进行测量,再与Bob的测量结果相比较,计算两个自由度的量子比特误码率,进行安全性检测;

通信方Bob对接收到的所有单光子在两个自由度上随机选择测量基进行测量,若探测器没有响应,则Bob通过经典信道通知Alice,Alice丢弃掉存储器中SA序列中对应该位置处的单光子;在测量结束后,Bob随机向通信方Alice公布n个单光子在两个自由度的测量基和测量结果进行安全检测,Alice对光子序列SA中对应位置的单光子在两个自由度上使用对应的测量基进行测量,并与通信方Bob的测量结果进行比较来估算两个自由度上的量子比特误码率QBER;若任一自由度的误码率高于设定的阈值,则确定通信过程不安全,双方终止通信;反之,若两个自由度的误码率均低于设定的阈值,则双方判定光子传输过程安全,继续通信;

步骤4,Alice对SA序列的剩余光子在两个自由度上通过施加幺正操作进行编码,同时在SA序列中随机插入n个单光子作为安全性检测光子,在两个自由度上对其进行随机编码,编码完成后将SA序列的光子发送给Bob;

步骤5:Bob收到编码后的SA序列后,Alice公布安全性检测光子的位置和两个自由度上的编码情况,Bob对每个安全性检测光子在两个自由度上使用相同测量基进行测量,并结合Alice公布的编码情况估算误码率;若任一自由度的误码率高于设定的阈值,则确定通信过程不安全,双方终止通信;反之,若两个自由度的误码率均低于设定的阈值,则双方判定光子传输过程安全,继续下一步;

步骤6,Bob对每个编码信息的光子在两个自由度上使用初始的测量基进行测量,通过与该光子的初始量子态进行比对,读出Alice在两个自由度上的编码信息,最终实现解码。

2.根据权利要求1所述的基于超纠缠和单光子测量的量子安全直接通信方法,其特征在于:所述步骤1中,发送者Alice制备m对相同的极化‑空间自由度上的超纠缠贝尔态可描述为:+

其中,|Φ >P属于极化自由度的四种贝尔态:

式中,H和V分别表示为光子水平方向上的偏振和垂直方向上的偏振,下标P表示极化自由度,下标A、B表示A和B两个单光子;

+

其中,|>s属于空间自由度的四种贝尔态:

式中,a1(b1)和a2(b2)分别表示光子A(B)的上路径和下路径,下标S表示空间自由度,下标A、B表示A和B两个单光子。

3.根据权利要求1所述的基于超纠缠和单光子测量的量子安全直接通信,其特征在于:所述步骤2中,接受者Bob在两个自由度的两种测量基分别为直角基和对角基,所述直角基为Z基,所述对角基为X基;

极化自由度下的Z基和X基分别为:

ZP={|H>,|V>},

空间自由度下的Z基和X基分别为:

ZSA={|a1>,|a2>},ZSB={|b1>,|b2>}

4.根据权利要求1所述的基于超纠缠和单光子测量的量子安全直接通信方法,其特征在于:所述步骤4中,两个自由度的编码算符为:U0=I

U1=iσy

其中U0,U1分别表示两种幺正操作编码操作,相关矩阵表示为

在两个自由度上,U0和U1分别代表经典信息0和1,施加U0,U1操作后,两个自由度的量子态演化结果为:U0|H>=|H>,U0|V>=|V>,U0|+>P=|+>P,U0|‑>P=|‑>P,U1|H>=‑|V>,U1|V>=|H>,U1|+>P=|‑>P,U1|‑>P=‑|+>P,U0|a1>=|a1>,U0|a2>=|a2>,U0|+>S=|+>S,U0|‑>S=|‑>S,U1|a1>=|a2>,U1|a2>=|a1>,U1|+>S=|‑>S,U1|‑>S=‑|+>S。

5.根据权利要求1所述的基于超纠缠和单光子测量的量子安全直接通信方法,其特征在于:所述步骤6中,解码的具体过程为:Bob对编码后的SA序列的光子在两个自由度上使用初始的测量基进行测量,并将结果与原始SB序列的光子在两个自由度上的测量结果比较,若两个自由度的测量结果均与SB序列光子的测量结果相同,说明编码后两个自由度的量子态均未发生变化,因此,解码结果为00;若极化自由度测量结果相同,空间自由度测量结果不同,说明极化自由度上的操作为U0而空间自由度上的操作为U1,因此,解码结果为01;若极化自由度测量结果不同,空间自由度测量结果相同,说明极化自由度上的操作为U1而空间自由度上的操作为U0,因此,解码结果为10;若两个自由度的测量结果不同,说明两个自由度上的操作均为U1,因此,解码结果为11。