1.本发明涉及量子安全通信技术领域，尤其涉及一种抵抗集体移相噪声和集体旋转噪声的半量子安全直接通信方法。
背景技术：2.近年来，为了减小或消除集体噪声对量子通信的影响，提出了无消相干子空间(decoherence-free subspace)的概念。无消相干子空间是指在希尔伯特空间中没有经历相干的子空间，其中的每一个状态都是由几个遭受相同噪声干扰的量子比特组成，且组成的系统可以补偿噪声带来的影响而使得系统的量子态在噪声环境下保持不变，这一优点可用于编码信息，完成在集体噪声下的量子通信。目前，消相干理论在量子安全直接通信领域已经得到了广泛的应用。
3.2007年，ge和liu提出了一种基于无消相干子空间的量子安全直接通信的方法，该方法在集体移相噪声信道上具有很高的鲁棒性。2010年，qin提出了一种基于无消相干子空间的量子安全直接通信的方法，该方法可以对抗集体旋转噪声。2011年，yang根据无消相干子空间的理论，提出了两种容错的两步量子安全直接通信方法，每种方法都能抵抗不同类型的集体噪声，拥有很强的拓展性。2012年，yang针对ge和liu之前提出的方法的不足，即攻击者可以故意修改消息而不被发现，进行改进，完善了在集体移相噪声信道上的量子安全直接通信。2014年，yang等基于受控量子安全直接通信的理论，在无消相干子空间的基础上，提出了两种容错的受控量子安全直接通信的方法，它们对集体移相噪声和集体旋转噪声都具有鲁棒性。2015年，li和song等利用无消相干态提出了一种量子安全通信的方法，其不仅能抵抗集体消相干噪声，还能减少光子的损失。
4.由上述学术研究和应用场景可见，截止目前，在半量子安全直接通信领域，即通信方中有若干经典方，其余为量子方，尚未提出一种可以同时抵抗集体移相噪声和集体旋转噪声的方法。
技术实现要素：5.本发明的目的在于弥补现有方法的不足，基于量子无消相干态提出一个对两种集体噪声都具有鲁棒性的半量子安全直接通信的方法，缓解或解决在常见的半量子通信中面临的信道集体噪声问题。另外，本发明中提到了一种新的编码规则，经典发送方可以利用这种编码方式在含有集体噪声的量子信道中向量子接收方安全的传输秘密消息而不受干扰。同时，在消息传输阶段，结合经典密码学中的消息认证技术，保证秘密消息的真实性和完整性。
6.本发明提供一种抵抗集体移相噪声和集体旋转噪声的半量子安全直接通信方法，涉及的详细实施方法和步骤如下，包括：
7.s101，alice制备2n个六量子比特无消相干态形成序列s＝{s1,s2,
…
,si,
…
,s
2n
}，
》，形成序列s4；alice打乱s2、s3和s4的顺序得到序列s5，并将s5发送给bob。
22.一种实现方式中，量子载体的具体表达包括：
[0023][0024]
|ρ3》＝p
24
p
13
|ρ2》
[0025]
|ρ4》＝p
26
p
15
|ρ2》
[0026]
其中，
[0027][0028]
p
13
表示将第1、3位量子比特进行置换，p
24
表示将第2、4位量子比特进行置换，p
15
表示将第1、5位量子比特进行置换，p
26
表示将第2、6位量子比特进行置换。
[0029]
一种实现方式中，若mi是0，则将其编码为|ρ3》；若mi是1，则编码为|ρ4》。
[0030]
应用本发明实施例提供的一种抵抗集体移相噪声和集体旋转噪声的半量子安全直接通信方法，具备的有益效果如下：
[0031]
与现有方法相比，本发明利用量子不可克隆定理和海森堡测不准原理，基于无消相干子空间的特性，在半量子领域提出了一种可以同时抵抗两种集体噪声的方法，拓宽了量子保密通信的使用范围，同时也降低了技术实施的成本，具体来说，有以下优点：
[0032]
1、本发明基于六量子比特无消相干态，提出了一种对集体移相噪声和集体旋转噪声均具有鲁棒性的半量子安全直接通信的方法，缓解了在现有的半量子保密通信中存在的信道集体噪声问题。
[0033]
2、本发明结合经典密码学中的消息认证技术，保证信息传输的真实性和完整性，且具有较高的抗攻击性。
[0034]
3、本发明中涉及的初始六量子比特无消相干态量子载体的制备，可以从较低维的量子无消相干态(2和4量子位)的基础上获得，增加了方法实施的便利性和可行性。
附图说明
[0035]
图1是本发明实施例一种抵抗集体移相噪声和集体旋转噪声的半量子安全直接通信方法的结构示意图。
[0036]
图2是本发明实施例六量子比特无消相干态实现抵抗两种集体噪声的半量子安全直接通信的编码规则映射图。
[0037]
图3为单粒子测量区分任何两个六量子比特无消相干态的示意图。
[0038]
图4为消息认证技术的方法流程图。
具体实施方式
[0039]
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
[0040]
本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示
与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
[0041]
1、量子无消相干态的制备
[0042]
六量子比特无消相干态的主要形式有如下五种：
[0043][0044][0045][0046][0047][0048]
其中，
[0049]
|ρ5》采用格兰氏-施密特方法(gram-schmidt)来计算，t是元素对的转换数，必须组成这些元素对以使元素以规范的顺序排列(即，000111)。
[0050]
选择其中的三种状态作为量子载体，分别是|ρ2》、|ρ3》和|ρ4》。根据六量子比特无消相干态的特点，首先准备其中的一种状态|ρ2》，然后通过对该状态中的量子位进行置换，就能得到另外两种状态|ρ3》和|ρ4》，如下变换：
[0051]
|ρ3》＝p
24
p
13
|ρ2》
[0052]
|ρ4》＝p
26
p
15
|ρ2》
[0053]
2、编码映射规则的设计
[0054]
(1)若发送方的秘密信息位为0，则将|ρ2》中的第1、3和2、4量子位进行置换，得到状态|ρ3》；
[0055]
(2)若发送方的秘密信息位为1，则将|ρ2》中的第1、5和2、6量子位进行置换，得到状态|ρ4》。
[0056]
其中，使用一定比例的初始状态|ρ2》作为诱饵光子，进行窃听检测。编码完成后，接收方对发送方发送的编码态进行固定的单粒子测量，并观察测量结果，区分接收到的状态|ρ3》和|ρ4》，从而根据对应的关系恢复秘密消息。
[0057]
3、消息认证技术
[0058]
结合经典密码学中的哈希加密算法来实现，假设通信双方共享一个密钥k，发送方a想向接收方b发送消息m，详细执行步骤描述如下：
[0059]
a使用mac算法对消息进行编码，即计算mac＝hk(m)，其中hk(
·
)为密钥k控制的公共函数(如哈希函数)；
[0060]
a通过公开信道向b发送m mac(其中代表“连接”操作)；
[0061]
b收到后，和a做同样的计算，得到一个新的mac；
[0062]
b观察接收到的mac是否与获取到的新mac相等，如果相等则认证有效，反之亦然。
[0063]
4、单粒子测量技术
[0064]
六量子比特无消相干态可以作为量子载体进行通信，因为它既能充分保护两个任意逻辑量子态免受集体噪声的影响，又能通过固定的六次单粒子基测量来区分其中任意两个状态，适用于半量子环境，其具体的测量区分方式如下表1：
[0065]
表1
[0066][0067]
本发明的技术方案在于基于六量子比特无消相干态的特性，设计一个切实可行的编码映射规则，包括使用六量子比特无消相干态和对经典秘密位0和1进行加密；并结合经典的消息认证码技术，对秘密消息实现二次加密；最后通过执行六次单粒子zzxxzz基组测量技术，结合消息认证，对加密消息进行恢复。方法所涉及的加密、认证及测量技术在现有的条件下都能实现。
[0068]
图1所示为利用量子无消相干态实现抵抗两种集体噪声的半量子安全直接通信的整体方法路线框图，alice和bob提前共享密钥k，其实现原理大致可以分为以下几个步骤：
[0069]
s101，alice制备2n个六量子比特无消相干态形成序列s＝{s1,s2,
…
,si,
…
,s
2n
}，其中q为单粒子态，n是整数，每个六量子比特无消相干态来自基态|ρ2》。接着alice从中取出n个六量子比特无消相干态作为诱饵光子，等分成两个序列s1、s2，并把s1发送给bob，保留s2以及剩下的n个六量子比特无消相干态。
[0070]
本发明使用三种类型的六量子比特无消相干态作为载体，分别是|ρ2》、|ρ3》和|ρ4》，如下：
[0071][0072][0073][0074]
其中，
[0075][0076]
根据它们的特点，只需要准备其中的一种状态|ρ2》，然后通过对该状态中的量子位进行置换，就能得到另外两种状态|ρ3》和|ρ4》，如下变换：
[0077]
|ρ3》＝p
24
p
13
|ρ2》
[0078]
|ρ4》＝p
26
p
15
|ρ2》
[0079]
如果发送方的秘密信息比特为0，则将|ρ2》中的第1、3和2、4量子比特进行置换，得到状态|ρ3》；如果发送方的秘密信息比特为1，则将|ρ2》中的第1、5和2、6量子比特进行置换，得到状态|ρ4》，对应的编码映射关系如图2所示。其中，使用一定比例的初始状态|ρ2》作为诱饵光子，进行窃听检测。编码完成后，接收方对发送方发送的这些编码状态进行固定的单粒子测量，如图3所示，并观察测量结果以区分接收到的状态|ρ3》和|ρ4》，从而根据对应的关系恢复秘密消息。
[0080]
s102，bob收到s1序列之后，随机对其中的每个量子态执行测量或反射操作。
[0081]
若选择测量操作，bob则对六量子比特无消相干态中的每个量子位进行z基测量，并根据测量结果生成对应的状态，将这些状态发回给alice；
[0082]
若选择反射操作，则bob将六量子比特无消相干态无干扰的反射回给alice。
[0083]
s103，当alice确认收到bob发回的状态后，bob公布对应执行的操作以及测量的结果，alice由此进行第一次窃听检测：
[0084]
若是测量操作，则alice对收到的粒子的每个量子位也进行z基测量，观察结果是否与bob公布的结果相同；
[0085]
若是反射操作，则根据初始的六量子比特无消相干态，alice用对应的基组测量收到的状态，观察与初始状态是否相同。
[0086]
检测结束之后，alice会得到一个错误率，如果错误率超过预定的安全阈值，将终止通信；否则，说明量子信道安全，继续进行下一步。
[0087]
s104，通过窃听检测之后，alice根据编码规则对剩下的n个六量子比特无消相干态|ρ2》进行量子位置换操作：这里为了方便计算，选择对其中的个|ρ2》态执行第1、3和2、4量子位置换得到|ρ3》，形成序列s3；对剩下的个|ρ2》态执行第1、5和2、6量子位置换得到|ρ4》，形成序列s4。接着，alice打乱s2、s3和s4的顺序得到序列s5，并将s5发送给bob。
[0088]
s105，bob收到序列s5后，alice公布其中s2所对应的原始顺序，此时bob和alice重复步骤s102，103的操作，进行第二次窃听检查，以确保量子态没有受到干扰。通过窃听检查后，alice公布s3和s4的初始顺序。此时，bob利用消息认证算法mac(对应图4)，即采用由密钥k控制的单向哈希函数hk(
·
)(即h()：{0,1}k→
{0,1}d，其中k表示输入数据的长度，d表示输出哈希值的长度)来加密秘密消息序列m；接着，bob计算mac＝hk(m)和m＝m mac(其中代表“连接”操作)；为了消除信道噪声的影响，bob根据态|ρ3》和|ρ4》的位置随机将对应的mi编码到序列s3和s4中，这里mi表示m的第i个值，即若mi是0，则编码为|ρ3》；若mi是1，则编码为|ρ4》。编码完成之后，bob将其形成序列s6，发送给alice。
[0089]
s106，alice收到s6之后，对其中每个六量子比特无消相干态的量子位进行zzxxzz基组测量，执行该操作的意义一是为了达到类似于第一二次窃听检查过程中的反射操作的作用，二是为了区分收到的量子态。之后，alice将s6中|ρ3》和|ρ4》的测量结果与初始的测量结果相比对，根据比较结果、编码规则和密钥k推断m'＝m'mac'。接着，alice比较mac＝hk(m')和mac'＝hk(m)'是否相等，若相等，则认证有效，说明消息没有被篡改，通信成功；否则认证无效，说明消息被篡改，通信失败。
[0090]
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟
悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
技术特征：1.一种抵抗集体移相噪声和集体旋转噪声的半量子安全直接通信方法，其特征在于，包括：s101，alice制备2n个六量子比特无消相干态形成序列s＝{s1,s2,
…
,s
i
,
…
,s
2n
}，其中q为单粒子态，n是整数，每个六量子比特无消相干态来自量子载体|ρ2>；alice从中取出n个六量子比特无消相干态作为诱饵光子，等分成两个序列s1、s2，并把s1发送给bob，保留s2以及剩下的n个六量子比特无消相干态；s102，bob收到s1序列之后，随机对其中的每个量子态执行测量或反射操作，以反馈状态至alice；s103，alice确认收到bob发回的状态后，bob公布对应执行的操作以及测量的结果，alice由此进行第一次窃听检测：基于检测结果，alice得到错误率，如果错误率超过预定的安全阈值，将终止通信；否则，说明量子信道安全，继续进行s104；s104，通过窃听检测之后，alice根据编码规则对剩下的n个六量子比特无消相干态|ρ2>进行量子位置换操作，形成序列s3和s4，alice打乱s2、s3和s4的顺序得到序列s5，并将s5发送给bob；s105，bob收到序列s5后，alice公布其中s2所对应的原始顺序，此时bob和alice重复步骤s102，s103的操作，进行第二次窃听检查，以确保量子态没有受到干扰；通过窃听检查后，alice公布s3和s4的初始顺序，bob利用消息认证算法mac，采用由密钥k控制的单向哈希函数h
k
(
·
)来加密秘密消息序列m；接着，bob计算mac＝h
k
(m)和m＝mmac，其中代表“连接”操作；为了消除信道噪声的影响，bob根据态|ρ3>和|ρ4>的位置随机将对应的m
i
编码到序列s3和s4中，这里m
i
表示m的第i个值，即若m
i
是0，则编码为|ρ3>；若m
i
是1，则编码为|ρ4>；编码完成之后，bob将其形成序列s6，发送给alice；s106，alice收到s6之后，对其中每个六量子比特无消相干态的量子位进行基组测量，执行该操作的意义一是为了达到类似于第一二次窃听检查过程中的反射操作的作用，二是为了区分收到的量子态，alice将s6中|ρ3>和|ρ4>的测量结果与初始的测量结果相比对，根据比较结果、编码规则和密钥k推断m'＝m'mac'，alice比较mac＝h
k
(m')和mac'＝h
k
(m)'是否相等，若相等，则认证有效，说明消息没有被篡改，通信成功；否则认证无效，说明消息被篡改，通信失败。2.根据权利要求1所述的一种抵抗集体移相噪声和集体旋转噪声的半量子安全直接通信方法，其特征在于，所述步骤s102，具体包括：若选择测量操作，bob则对六量子比特无消相干态中的每个量子位进行z基测量，并根据测量结果生成对应的状态，将这些状态发回给alice；若选择反射操作，则bob将六量子比特无消相干态无干扰的反射回给alice。3.根据权利要求1所述的一种抵抗集体移相噪声和集体旋转噪声的半量子安全直接通信方法，其特征在于，所述步骤s103，包括：若是测量操作，则alice对收到的粒子的每个量子位也进行z基测量，观察结果是否与bob公布的结果相同；若是反射操作，则根据初始的六量子比特无消相干态，alice用对应的基组测量收到的状态，观察与初始状态是否相同。
4.根据权利要求1所述的一种抵抗集体移相噪声和集体旋转噪声的半量子安全直接通信方法，其特征在于，所述步骤s104的具体操作包括：alice选择对其中的个量子载体|ρ2>态执行第1、3和2、4量子位置换得到量子载体|ρ3>，形成序列s3；alice对剩下的个量子载体|ρ2>态执行第1、5和2、6量子位置换得到量子载体|ρ4>，形成序列s4；alice打乱s2、s3和s4的顺序得到序列s5，并将s5发送给bob。5.根据权利要求4所述的一种抵抗集体移相噪声和集体旋转噪声的半量子安全直接通信方法，其特征在于，量子载体的具体表达包括：|ρ3>＝p
24
p
13
|ρ2>|ρ4>＝p
26
p
15
|ρ2>其中，p
13
表示将第1、3位量子比特进行置换，p
24
表示将第2、4位量子比特进行置换，p
15
表示将第1、5位量子比特进行置换，p
26
表示将第2、6位量子比特进行置换。6.根据权利要求5所述的一种抵抗集体移相噪声和集体旋转噪声的半量子安全直接通信方法，其特征在于，若m
i
为0，则将其编码为|ρ3>；若m
i
为1，则将其编码为|ρ4>。
技术总结本发明公开了一种抵抗集体移相噪声和集体旋转噪声的半量子安全直接通信方法，根据六量子比特无消相干态的特性，提出一个新的编码映射规则，帮助经典发送方在含有集体噪声的量子信道中向量子接收方安全的传输秘密消息而不受干扰；其次，在秘密消息传输阶段，引入经典密码学中的消息认证技术，对秘密消息实现二次加密，保证秘密消息的真实性和完整性；最后，通过六次单粒子测量技术对秘密消息进行恢复，可行性较高。行性较高。行性较高。
技术研发人员：周日贵 张晓雪
受保护的技术使用者：上海海事大学
技术研发日：2022.07.22
技术公布日：2022/11/1
