[0002] 目前,业内常用的现有技术是这样的:
[0003] 量子安全直接通信是量子信息科学中的一个重要研究方向,它主要实现了两个合法用户之间在不需协商共享密钥的前提下,通过量子信道直接完成秘密信息的传递;2000年,龙桂鲁等率先提出了一个基于Einstein-Podolsky-Rosen(EPR)对的量子安全直接通信方案(QSDC)[1];随后,研究人员针对量子安全直接通信协议做了大量的工作;2003年,邓富国提出了一个著名的两步量子安全直接通信协议[2];后续研究者基于量子安全通信协议又提出了一类可控的量子安全直接通信协议(CQSDC),在CQSDC协议中只有通过控制者的允许,接收者才能获得最终的秘密信息;但是,在这些量子安全直接通信协议中,几乎都需要所有参与者必须具有较强的量子能力,如制备各类量子态,采用不同的基测量量子以及存储量子等;最近,研究人员针对量子协议中的参与者,应该具备多少量子能力进行了探讨;由于量子设备非常昂贵,在执行量子协议中,如果能保证只有部分节点具有较强的量子功能,就能完成协议的执行,达到安全的目的,对于量子通信网络的推广具有重要意义;2007年,Boyer等人首次提出了一个半量子密钥分发协议[3];在Boyer的协议中涉及这样一个应用场景,有两个用户第一参与用户和第二参与用户,第一参与用户是一个具有强量子功能的服务器,而第二参与用户只具有基本的量子能力;第一参与用户可以制备各种量子,基于各类基对量子进行测量,暂存量子;第二参与用户只能制备处在|0>或|1>态的光子;使用基{|0>,|1>}测量光子;发送收到的光子或新制备光子;而且第一参与用户和第二参与用户之间有一个量子通道,将第一参与用户的实验室和外面连接在一起,其中第二参与用户只能访问该量子信道的部分功能;2009年Boyer对半量子协议进行了改进,为了提高协议的安全性,通过为只具有半量子功能的第二参与用户添加量子延迟设备,使得第二参与用户可以对待发送量子进行重排序,防止黑客根据量子的状态推断出第二参与用户所执行的相关操作信息;随后,研究人员将半量子技术应用于解决各类量子安全问题,如半量子秘密分享(SQSS)[5-9],半量子秘密分发(SQKD)[10-13]和半量子安全直接通信(SQSDC)[14-16]。
[0004] 综上所述,现有技术存在的问题是:
[0005] 对用户的硬件成本要求高:现有基于量子技术的量子安全直接通信协议,需要用户配备高级的量子设备,如量子发生器、量子存储器、酉操作器等;但是作为普通用户,无法负担如此昂贵的量子设备,这就限制了量子安全直接通信协议的应用,进一步限制了量子通信网络的推广。
[0006] 现有的半量子安全直接通信协议在安全性和效率方面考虑不足;2014年,Zou等基于单光子提出了第一个三步半量子安全直接通信协议[14];但是Zou等的协议效率较低,量子通信效率只有25%;随后,Luo等提出了两个认证半量子安全直接通信协议[15],而该协议为了实现两个用户之间的安全通信,需要让参与者预先分享一个共享秘钥;最近,Zhang等基于EPR构造一个新的半量子安全直接通信协议[16];Zhang等的协议包含两个阶段,第一参与用户是强量子服务器,他将Bell态粒子分成了两个部分,分别用于窃听检测和秘密信息传递,在协议执行过程中,第一参与用户将这两部分粒子分别进行传送,这种工作机制造成了协议不能抵御测量-重放攻击(intercept-measure-resend attack);在协议执行的第二阶段,第一参与用户将量子序列发送给第二参与用户,并告知检测光子的位置,然后第二参与用户直接反射这些检测光子,并根据自己的秘密信息对剩余的光子进行编码;由于攻击者可以按照第一参与用户公布的检测光子的位置避开检测光子,只对剩余光子进行测量,从而获得秘密信息,因此Zhang等协议存在秘密信息泄露的风险。
[0007] 现有的半量子安全直接通信协议的量子通信效率低,即通过传递量子获得的最终秘密信息的比特率低;目前最好的半量子安全直接通信协议[16]的量子通信效率为33.3%。
[0008] 解决上述技术问题的难度和意义:
[0009] 该问题解决的难度是:保证通信双方中只有第一参与用户一方具备强量子功能,而另一方第二参与用户只具有基本的量子功能,就可以最终实现第二参与用户通过量子信道向第一参与用户直接传递秘密信息的目标。
[0010] 该问题解决以后的意义:该问题解决以后,不但保证秘密信息分发的绝对安全,还降低了用户的硬件成本;协议的双方参与者,只需一方具备强量子功能,无需复杂的量子操作,就可以完成秘密信息的分发,这对于普通的终端用户是非常容易实现的,这将推动量子安全直接通信协议的应用;此外本专利所设计的半量子安全直接通信协议能够抵御测量-重放攻击、中间人攻击和特洛伊木马攻击,而且随着攻击者获得信息量的增加,被检测到的概率也随之增加,当攻击者获得的信息量为1时,其没有被检测的概率为1/2;因此,当发送大量信息时,攻击者无法获得第一参与用户和第二参与用户之间传递的完整信息量;同时该协议的量子通信效率可达到50%,高于Zou等[15]的25%和Zhang等[16]的33.3%。
[0011] 参考文献
[0012] [1]Long G.L.and Liu X.S.:Theoretically efficient high-capacity quantum-key-distribution scheme.Phys.Rev.Lett.65(3),032302(2002)
[0013] [2]Deng,F.G.,Long,G.L.,Liu,X.S.:Two-step quantum direct communication protocol using the Einstein–Podolsky–Rosen pair block.Phys.Rev.A 68(4),042317(2003)
[0014] [3]Boyer,M.,Kenigsberg,D.,Mor,T.:Quantum key distribution with classical Bob.Phys.Rev.Lett.99(14),140501(2007)
[0015] [4]Boyer,M.,Gelles,R.,Kenigsberg,D.,et al.:Semiquantum key distribution.Phys.Rev.A 79(3),032341(2009)
[0016] [5]Wang,J.,Zhang,S.,Zhang,Q.,et al.:Semiquantum secret sharing using two-particle entangled state.Int.J.Quantum Inf.10(5),1250050(2012)
[0017] [6]Li,Q.,Chan,W.H.,Long,D.Y.:Semiquantum secret sharing using entangled states.Phys.Rev.A 82(2),022303(2010)
[0018] [7]Li,L.Z.,Qiu,D.W.,Mateus,P.:Quantum secret sharing with classical Bobs.J.Phys.AMath.Theor.46(4),045304(2013)
[0019] [8]Gao,G.,Wang,Y.,Wang,D.:Multiparty semiquantum secret sharing based on rearranging orders ofqubits.Mod.Phys.Lett.B 30(10),1650130(2016)
[0020] [9]Yu K F,Gu J,Hwang T and Gope P.Multi-party semi-quantum key distribution-convertible multi-party semi-quantum secret sharing.Quantum Inf.Process.2017,16(8),194.
[0021] [10]Zou,X.,Qiu,D.,Li,L.,Wu,L.,Li,L.:Semiquantum-key distribution using less than four quantum states.Phys.Rev.A 79(5),052312(2009)
[0022] [11]Xian-Zhou,Z.,Wei-Gui,G.,Yong-Gang,T.,Zhen-Zhong,R.,Xiao-Tian,G.:Quantum key distribution series network protocol with M-classical
Bob.Chin.Phys.B 18(6),2143(2009)
[0023] [12]Jian,W.,Sheng,Z.,Quan,Z.,Chao-Jing,T.:Semiquantum key distribution using entangled states.Chin.Phys.Lett.28(10),100301(2011)[0024] [13]Yu,K.F.,Yang,C.W.,Liao,C.H.,Hwang,T.:Authenticated semi-quantum key distribution protocol using Bell states.Quantum Inf.Process.13(6),1457–
1465(2014)
[0025] [4]Zou,X.F.,Qiu,D.W.:Three-step semiquantum secure direct communication protocol.Sci.China Phys.Mech.Astron.57(9),1696–1702(2014)[0026] [15]Luo,Y.P.,Hwang,T.:Authenticated semi-quantum direct communication protocols using Bell states.Quantum Inf.Process 15(2),947–958(2016)
[0027] [16]Zhang,M.H.,Li,H.F,and et al.:Semiquantum secure direct communication using ERP pairs.Quantum Inf.Process.16(5),117,(2017)。