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量子安全直接通信

中国科学：物理学、力学、天文学 2011年第4期41卷 332-342页

作者：龙桂鲁王川李岩松邓富国教育部原子分子纳米科学重点实验室清华大学物理系北京100084 北京师范大学物理系北京100875

量子通信利用量子力学原理进行信息传输和处理,具有高安全、高容量等优点.量子安全直接通信在量子信道中直接传输秘密信息,是一种新式的量子通信模式.自2000年提出以来,量子安全直接通信得到了迅速的发展.该文综述量子安全直接通信的基... 详细信息

量子通信利用量子力学原理进行信息传输和处理,具有高安全、高容量等优点.量子安全直接通信在量子信道中直接传输秘密信息,是一种新式的量子通信模式.自2000年提出以来,量子安全直接通信得到了迅速的发展.该文综述量子安全直接通信的基本原理,描述几个典型的量子安全直接通信协议.最后介绍量子安全直接通信的最新发展动态,展望量子安全直接通信的未来.

关键词：量子安全直接通信量子通信两步方案量子一次便笺方案网络通信 QSDC

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带身份认证的量子安全直接通信方案

物理学报 2023年第2期72卷 12-19页

作者：周贤韬江英华西藏民族大学信息工程学院咸阳712000

针对传统量子安全直接通信方案中需提前假设通信双方合法性的问题,提出一种带身份认证的基于GHZ态(一种涉及至少三个子系统或粒子纠缠的量子态)的量子安全直接通信方案.该方案将GHZ态粒子分成三部分,并分三次发送,每一次都加入窃听检测... 详细信息

针对传统量子安全直接通信方案中需提前假设通信双方合法性的问题,提出一种带身份认证的基于GHZ态(一种涉及至少三个子系统或粒子纠缠的量子态)的量子安全直接通信方案.该方案将GHZ态粒子分成三部分,并分三次发送,每一次都加入窃听检测粒子检测信道是否安全,并在第二次发送的时候加入身份认证,用以验证接收方的身份,在第三次发送完粒子之后,接收方将所有检测粒子抽取出来,之后对GHZ态粒子做联合测量,并通过原先给定的编码规则恢复原始信息.本方案设计简单、高效,无需复杂的幺正变换即可实现通信.安全性分析证明,该方案能抵御常见的内部攻击和外部攻击,并且有较高的传输效率、量子比特利用率和编码容量,最大的优势在于发送方发送信息的时候不需要假设接收方的合法性,有较高的实际应用价值.

关键词：量子安全直接通信 GHZ态身份认证传输效率

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量子安全直接通信改进方案研究

量子安全直接通信改进方案研究

作者：王欣龙兰州大学

学位级别：硕士

量子密码技术是一种依托于量子物理基本理论来实现信息安全的新式保密技术,相较于经典加密系统基于数学计算复杂度的安全性描述,量子密码系统理论定义上的安全由量子纠缠效应、量子叠加等量子力学基本原理以及量子隐形传态、量子不可克... 详细信息

量子密码技术是一种依托于量子物理基本理论来实现信息安全的新式保密技术,相较于经典加密系统基于数学计算复杂度的安全性描述,量子密码系统理论定义上的安全由量子纠缠效应、量子叠加等量子力学基本原理以及量子隐形传态、量子不可克隆等量子特性来保证。量子安全直接通信借助不同量子态或量子操作加载信息,综合利用了量子特性以及量子力学基本原理,是一种可实现机密内容直接传输的量子密码技术。量子安全直接通信在物理原理上是可行的,其安全原理与一次一密加密体制相似,其理论创新与实验应用融合发展,取得了一系列的成就,与经典密码体系和量子密钥分发技术相比,量子安全直接通信技术具有很多发展优势,研究意义颇深。本文所做的工作如下:1、介绍量子通信理论基础知识和量子力学基本原理,为实现量子安全直接通信提供理论依据。2、描述了量子安全直接通信QSDC理论方案,重点是对近年来在功能实现方面较有特色的三个理论方案进行了系统化的对比分析,最后依据对比结果可对未来量子安全直接通信的理论研究进行预测展望。3、提出了一种依托4维Hilbert空间的QSDC改进方案,该方案混合利用Bell态粒子和单光子并将3比特经典信息加载于一个量子态上以提高编码容量以及信息传输的效率和安全性,详细介绍该方案的步骤,对比分析其操作流程,对方案的安全性进行了分析。

关键词：量子安全直接通信量子编码 4维Hilbert空间窃听检测

带双向身份认证的基于单光子和Bell态混合的量子安全直接通信方案

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物理学报 2023年第13期72卷 11-19页

作者：周贤韬江英华郭晓军彭展西藏民族大学信息工程学院咸阳712000

针对量子安全直接通信中身份认证的需要,提出一种带双向身份认证的基于单光子和Bell态混合的量子安全直接通信方案.通信开始前通信双方共享一串秘密信息,先利用单光子来验证接收方的合法性,再利用Bell态粒子验证发送方的合法性,之后将B... 详细信息

针对量子安全直接通信中身份认证的需要,提出一种带双向身份认证的基于单光子和Bell态混合的量子安全直接通信方案.通信开始前通信双方共享一串秘密信息,先利用单光子来验证接收方的合法性,再利用Bell态粒子验证发送方的合法性,之后将Bell态粒子与单光子混合作为载体发送.每一次发送量子态时都加入窃听检测粒子,而一旦窃听者截获发送粒子,由于得到的是不完整的粒子,窃听者无法恢复原始信息,并且窃听行为会立刻被发现,从而终止通信.本方案中单光子和Bell态充得到分利用,且混合之后的通信能有效提高传输效率和编码容量以及量子比特利用率.安全性分析证明,本方案能抵御常见的外部攻击和内部攻击.

关键词：量子安全直接通信混合态身份认证传输效率

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量子安全直接通信相关问题研究

量子安全直接通信相关问题研究

作者：翁鹏飞国防科技大学

学位级别：硕士

随着量子物理学和现代通信技术的发展,量子通信技术凭借理论上无条件安全性和高效性得到了快速的发展,其中量子态的态叠加原理、不确定性关系和测不准原理为量子通信技术的安全性和高效性提供理论支撑。量子通信技术为我们提高了一种全... 详细信息

随着量子物理学和现代通信技术的发展,量子通信技术凭借理论上无条件安全性和高效性得到了快速的发展,其中量子态的态叠加原理、不确定性关系和测不准原理为量子通信技术的安全性和高效性提供理论支撑。量子通信技术为我们提高了一种全新的、绝对可靠的通信方式。目前,量子通信领域主要包括了量子密钥分发、量子安全直接通信（QSDC）、量子身份确认、量子数字签名等方向。其中使用QSDC协议并结合量子中继器组成的量子网络在提升量子通信的分发效率和通信距离上有很大的潜力。QSDC是在信道中直接传输量子态达到传输信息的一种直接通信方式,该通信方式的优点是分发效率较高。量子中继器可以解决量子信息网络中节点数目少和传输距离有限等问题。本文围绕QSDC的协议设计、网络技术、数据的后处理等问题展开研究。针对现有的QSDC协议存在通信效率不高的问题,提出两种改进的QSDC协议。同时,我们还对目前已经提出的量子信息网络存在抗干扰能力不强,传输距离有限等问题,提出了两种量子网络直接通信方案。最后,考虑到元器件和信道的非理想化造成通信双方秘密信息的不一致,引入基于LDPC码的纠错过程,仿真验证了LDPC码的纠错过程。主要的研究内容如下:（1）提出了基于W态下的高维QSDC协议,通过将方案中的检测粒子替代为W态,同时引入高维量子态作为传输态,理论分析得出在W态下的检测窃听率较扩展GHZ提高了6%。（2）提出了高维量子态的受控QSDC协议,为了提高量子通信数据传输效率和传输过程的可控性,将高维量子态引入到受控的QSDC协议中。Bob在获得Charlie许可时才可以顺利恢复出秘密信息,在未获得Charlie许可的情况下,Bob则不能恢复秘密信息,理论分析得出高维粒子态下的检测窃听率较二维粒子提高了11%。（3）提出了具有自避错传输功能的量子中继器传输方案,采用这种设计的量子中继器可以有效地避免量子噪声对传输信息的影响,使得其他的量子中继器可以顺利的恢复出未知信息,提高了量子态在噪声信道中的传输可靠性。（4）研究了量子纠错码在具有量子噪声干扰的量子网络中的应用,一旦量子网络中发生量子比特或相位翻转错误,我们可以利用量子校验码相对应的校验矩阵中的有用信息分析出错误位置,然后对错误位进行合适的幺正操作,使得通信过程的可靠性增加。（5）由于元器件的不理想以及各种因素的干扰,接收端实际获得的秘密信息还需要进行了量子信息后处理过程,引入了基于LDPC码的纠错过程,比较了在相同条件下BP迭代译码算法、MS译码算法和OMS译码算法的性能,最后通过仿真实验比较码字错误率和方案效率的关系。

关键词：量子安全直接通信量子中继器量子纠错码量子信息后处理

Quantum Secure Direct Communication by Using Three-Dimensional Hyperentanglement

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Communications in Theoretical Physics 2011年第11期56卷 831-836页

作者：施锦龚彦晓徐平祝世宁詹佑邦 National Laboratory of Solid State Microstructures Department of PhysicsNanjing University School of Physics and Electronic Electrical Engineering Huaiyin Normal University

We propose two schemes for realizing quantum secure direct communication (QSDC)by using a set ofordered two-photon three-dimensional hyperentangled states entangled in two degrees of freedom (DOFs)as quantuminformation channels.In the first scheme,the photons from Bob to Alice are transmitted only once.After insuring thesecurity of the quantum channels,Bob encodes the secret message on his photons.Then Alice performs single-photontwo-DOF Bell bases measurements on her photons.This scheme has better security than former QSDC protocols.In thesecond scheme,Bob transmits photons to Alice twice.After insuring the security of the quantum channels,Bob encodesthe secret message on his photons.Then Alice performs two-photon Bell bases measurements on each DOF.The schemehas more information capacity than former QSDC protocols.

关键词：量子安全直接通信三维量子通道自由度双光子量子信息光子传输子秘密

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量子安全直接通信的方案研究

量子安全直接通信的方案研究

作者：徐洪卫重庆邮电大学

学位级别：硕士

量子计算机的成功研发以及量子信息论研究的不断深入,极大地推动了量子通信技术的发展。同时,量子计算机强大的并行计算能力,严重威胁到了基于计算复杂性的经典密码体制的安全性,而量子通信技术能够有效地解决这个问题。量子通信利用量... 详细信息

量子计算机的成功研发以及量子信息论研究的不断深入,极大地推动了量子通信技术的发展。同时,量子计算机强大的并行计算能力,严重威胁到了基于计算复杂性的经典密码体制的安全性,而量子通信技术能够有效地解决这个问题。量子通信利用量子力学的基本原理,以量子态作为信息载体实现信息的编码、解码和安全传输。量子安全直接通信是量子通信发展过程中的一个重要分支。不同于量子密钥分发协议,量子安全直接通信可以在不需要共享密钥的前提下保证合法的通信双方之间直接传输机密信息。但在实际应用中,用户双方的合法性无法得以保证。因此,量子安全直接通信方案一直潜在中间人攻击的可能。本文的主要内容是研究具有认证的量子安全通信理论,提出了两个具有认证功能的高容量量子安全通信方案:分别基于EPR对和单光子。本文方案不仅可以有效抵制中间人攻击,还提高了通信效率。方案一:基于EPR对具有认证的高容量量子安全通信方案。该方案通过合法的通信双方提前共享的密钥进行身份认证,结合经典异或操作和辅助粒子,实现效率上的提升,并利用EPR纠缠态的特性实现具有认证的高容量量子安全通信方案。因量子纠缠态制备上的困难性,该方案的实现有一定困难;而单光子在现今的设备条件下更具有实用价值,所以本文研究并提出了基于单光子的方案二。方案二:基于单光子具有认证的高容量量子安全通信方案。该方案利用ID码作为身份认证码,对机密的经典信息实施异或操作,通过辅助粒子区分异或结果,这样,每个单光子可以加载两个经典比特,实现了基于单光子具有认证的高容量量子安全通信方案。本文对两个方案的安全性进行了详细的分析,并与已有的方案进行了效率对比,本文方案具有一定的优势。

关键词：量子通信量子认证量子安全直接通信两步方案

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量子安全直接通信的研究

量子安全直接通信的研究

作者：杜娜西北大学

学位级别：硕士

科技的发展在方便人类生活的同时,也使得信息安全面临越来越严峻的挑战。而国家、政治、商业以及私人活动的进行都离不开信息的安全传输,量子安全通信以量子力学特性为其提供了一种全新的安全保障,并逐渐引起相关领域的广泛关注和深入... 详细信息

科技的发展在方便人类生活的同时,也使得信息安全面临越来越严峻的挑战。而国家、政治、商业以及私人活动的进行都离不开信息的安全传输,量子安全通信以量子力学特性为其提供了一种全新的安全保障,并逐渐引起相关领域的广泛关注和深入研究。作为量子通信的重要组成部分,量子安全直接通信可以在通信过程中直接传输秘密消息而不需要提前建立密钥,在简化通信过程的同时,确保了信息安全有效的传输。目前,量子安全通信在实验室和实际应用中都已经取得很大的成就,我国也预计在今年发射第一颗量子卫星,所以在保证安全性的条件下,大力加强对提高通信效率的研究,具有重要的实际意义。本文所做的工作主要如下：1、基于量子力学基础,简单介绍了量子隐形传输、量子纠缠转移和量子密集编码等较成熟的量子技术,并详细研究了经典的BB84协议和ping-pong协议,对它们的安全性以及通信效率作了具体的分析。2、在控制码的基础上,提出了一种基于单光子的量子安全直接通信方案。方案中原始量子态由接收方制备,控制码的使用可以使通信双方减少经典信息的交换,同时使用了两组互不正交的量子态。和以往方案不同的是,此协议中四个量子态可以分别代表不同的信息,从而使编码容量提升到相关思路协议的2倍。整个通信过程中,除了接收方,任何人都不知道量子比特的初始状态,从而保证了信息的可靠传输。在多种攻击方式下,方案都可以有效的克服攻击,证明了方案的安全性。3、提出了一种基于混合粒子的高容量量子安全直接通信方案。目前大部分协议对用作安全检测的粒子都予以抛弃,产生了很大的浪费。针对此情况,协议将秘密信息分为两部分进行传输,一部分在EPR纠缠对上传输,另一部分则是先加密后再加载到单粒子上传输,此单粒子在携带信息的同时还可以用作窃听检测,使通信的量子比特利用率提升到100%,编码容量为一般协议的4/3倍。协议还可以根据需要随便选取用于窃听检测的粒子数目,使出错率的分析更加准确而不必担心粒子浪费。同时量子的纠缠特性和混沌加密为其安全性提供了可靠保证,在使用多种攻击方式攻击下,窃听者都不能得到任何有用的信息。最后和几种主流的QSDC协议进行对比,其大大提高了通信效率而不影响安全性。

关键词：量子安全直接通信量子比特利用率编码容量量子密集编码量子纠缠

基于Bell态粒子和单光子混合的量子安全直接通信方案的信息泄露问题

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物理学报 2017年第13期66卷 37-41页

作者：刘志昊陈汉武东南大学计算机科学与工程学院南京211189 计算机网络和信息集成教育部重点实验室(东南大学) 南京211189 Centre for Quantum Soft ware and Information Faculty of Engineering and Information TechnologyUniversity of Technology Sydney

最近,一种基于Bell态粒子和单光子混合的量子安全直接通信方案[物理学报65 230301(2016)]被提出.文章宣称一个量子态可以编码3比特经典信息,从而使得协议具有很高的信息传输效率.不幸的是,该协议存在信息泄露问题:编码在单光子上的3比... 详细信息

最近,一种基于Bell态粒子和单光子混合的量子安全直接通信方案[物理学报65 230301(2016)]被提出.文章宣称一个量子态可以编码3比特经典信息,从而使得协议具有很高的信息传输效率.不幸的是,该协议存在信息泄露问题:编码在单光子上的3比特经典信息有2比特被泄露,而编码在Bell态上的3比特经典信息有1比特被泄露,所以它不是一个安全的直接量子通信方案.在保留原协议思想且尽可能少地更改原协议的基础上,我们提出一种改进的消息编码规则,从而解决信息泄露问题,使之成为一个高效、安全的量子通信协议.衷心希望研究者能对量子安全通信协议中信息泄露问题引起足够重视,设计真正安全的量子通信协议.

关键词：信息泄露单光子 Bell态量子安全直接通信