第17講:量子安全直接通行量子通信實(shí)驗(yàn)室朱暢華2025.04.2222本講主要內(nèi)容1概念2Long-Liu協(xié)議（第一個(gè)QSDC協(xié)議）3Ping-Pong協(xié)議及其安全性4兩步QSDC協(xié)議5QSDC實(shí)驗(yàn)1概念通信：信息的傳輸3信息的傳輸4量子保密通信：經(jīng)典信息量子隱形傳態(tài)：量子信息/經(jīng)典信息（特例）直接傳輸信息的可能性確保信道安全！類似QKD的信道安全性檢驗(yàn)安全性檢驗(yàn)（控制模式）與數(shù)據(jù)傳輸（消息模式）分開量子安全直接通信(QuantumSecureDirectCommunication,QSDC)通信雙方以量子態(tài)為信息載體，利用量子力學(xué)原理和各種量子特性，通過量子信道傳輸，在通信雙方之間安全地、無泄漏地直接傳輸有效信息，特別是機(jī)密信息的方法。5量子安全直接通信的要求判斷一個(gè)量子通信方案是否是一個(gè)真正QSDC的四個(gè)基本依據(jù)是[4]：（1）除因安全檢測需要而相對于整個(gè)通信可以忽略的少量經(jīng)典信息交流外，接收者Bob接收到發(fā)送的所有量子態(tài)后可以直接讀出機(jī)密信息，原則上對攜帶機(jī)密信息的量子比特不再需要輔助的經(jīng)典信息交換；（2）即使竊聽者監(jiān)聽了量子信道他也得不到機(jī)密信息，他得到的只是一個(gè)隨機(jī)的結(jié)果，不包含任何機(jī)密信息；（3）通信雙方在機(jī)密信息泄漏前能夠準(zhǔn)確判斷是否有人監(jiān)聽了量子信道；（4）以量子態(tài)作為信息載體的量子數(shù)據(jù)必需以塊狀傳輸。QSDC的概念通信雙方以量子態(tài)為信息載體，利用量子力學(xué)原理和各種量子特性，通過量子信道傳輸，在通信雙方之間安全地、無泄漏地直接傳輸有效信息，特別是機(jī)密信息的方法，稱為量子安全直接通信（QuantumSecureDirectCommunication,QSDC）7龍桂魯，量子安全直接通信原理與研究進(jìn)展，信息通信技術(shù)與政策，2020，No.7，pp.10-192Long-Liu協(xié)議（第一個(gè)QSDC協(xié)議）Long,et.al.,PRA2002,65(3),0323028協(xié)議流程9第1次安全檢測第2次安全檢測Long-Liu00協(xié)議10Long,et.al.,PRA2002,65(3),0323023Ping-Pong協(xié)議流程：控制模式與消息模式通信：Alice--->Bob11Ping-Pong協(xié)議：控制模式

Ping-Pong協(xié)議是由Bostrom和Felbinger，2002年

如果Alice和Bob的測量結(jié)果不相同，則說明不存在竊聽者，繼續(xù)通信；如果Alice和Bob的測量結(jié)果相同，則說明存在竊聽，此次通信無效。Alice選擇控制模式Ping-Pong協(xié)議：消息模式圖5.2乒乓協(xié)議的消息傳輸模式0:1:Alice選擇消息模式Ping-Pong協(xié)議：流程Ping-Pong協(xié)議描述Ping-Pong協(xié)議流程：①協(xié)議初始化：n=0。要發(fā)送的信息表示為：，其中。

②，Alice和Bob

設(shè)置為信息模式，Bob準(zhǔn)備兩粒子糾纏態(tài)。③Bob自己保留粒子B（homequbit），將粒子A（travelqubit）通過量子信道發(fā)送給Alice。④Alice接收到粒子A后，以概率c進(jìn)入控制模式，進(jìn)入步驟c.1，否則跳轉(zhuǎn)至步驟m.1。Ping-Pong協(xié)議描述-控制模式c.1Alice對travelqubitA在基下進(jìn)行測量，以1/2的概率得到0或1，將結(jié)果記為i；c.2Alice通過經(jīng)典信道告訴Bob她的測量結(jié)果；c.3Bob接收到測量結(jié)果后，也轉(zhuǎn)入控制模式，對homequbitB在基下進(jìn)行測量，結(jié)果記為j；c.4

如果

,則說明有竊聽存在，終止通信。否則，，返回步驟3。Ping-Pong協(xié)議描述-消息模式m.1定義，。對于，Alice對travelqubitA執(zhí)行編碼操作，然后將編碼后的粒子發(fā)送給Bob。m.2Bob接收到travelqubit后，將它和homequbit進(jìn)行聯(lián)合測量，得到。然后按如下規(guī)則解碼：

m.3

如果，則返回步驟2，當(dāng)時(shí)，進(jìn)入步驟5。⑤信息從Alice傳輸?shù)搅薆ob，通信過程結(jié)束。Ping-Pong協(xié)議的攻擊 假定Eve借助輔助粒子來進(jìn)行攻擊Eve的糾纏攻擊量子線路復(fù)合系統(tǒng)控制模式下：在Alice測量結(jié)果為“1”時(shí)，Bob的測量結(jié)果為“0”的概率是，在Alice測量結(jié)果為“0”時(shí)，Bob測量結(jié)果“1”的概率也是。因此在控制模式下發(fā)現(xiàn)Eve竊聽的概率為：Ping-Pong協(xié)議的攻擊（續(xù)）19Eve信息提取攻擊量子線路在消息模式下，Alice以概率

對粒子A進(jìn)行操作，以概率

對粒子A進(jìn)行

操作。

假定Alice發(fā)送的信息為“1”（進(jìn)行Z變換）Eve對Alice編碼后的粒子A進(jìn)行信息提取攻擊（CNOT）Ping-Pong協(xié)議信息泄漏分析Eve在基下對粒子E進(jìn)行測量，

如果測量結(jié)果為，Alice發(fā)送信息‘1’；

如果測量結(jié)果為，Alice發(fā)送信息‘0’。4兩步QSDC協(xié)議21兩步QSDC協(xié)議（1）Alice和Bob將四個(gè)Bell態(tài)、、和分別編碼為經(jīng)典比特00、01、10和11;（2）Alice產(chǎn)生N個(gè)糾纏光子對，均處于將這N個(gè)糾纏對表示為：下標(biāo)表示光子的順序，A，B分別代表每個(gè)糾纏對的兩個(gè)粒子;（3）Alice從每個(gè)糾纏對中拿出一個(gè)粒子，比如組成A序列，其余的粒子組成B序列。將A序列稱為信息序列，B序列稱為檢測序列?；诩m纏光子對的量子安全直接通信兩步量子安全直接通信協(xié)議圖5.8Two-StepQSDC原理示意圖兩步QSDC協(xié)議（續(xù)）（4）Alice將檢測序列發(fā)送給信息接收方Bob，Bob隨機(jī)地選取部分光子在Z基或X基下對光子進(jìn)行測量，并將結(jié)果和所用的測量基告訴Alice，Alice也在同樣的測量基下對相應(yīng)的粒子A進(jìn)行測量，通過測量結(jié)果的相關(guān)性判斷是否存在攻擊。

如果錯(cuò)誤率大于門限值，則返回步驟1；兩步QSDC協(xié)議（續(xù)）（5）Alice在信息序列中加入（選擇）部分校驗(yàn)序列，然后按照如下規(guī)則對粒子A進(jìn)行編碼操作：

兩步QSDC協(xié)議（續(xù)）（6）Bob接收到A序列后，Alice告訴Bob校驗(yàn)序列的位置和數(shù)值，Bob對相應(yīng)位置的光子對進(jìn)行聯(lián)合Bell態(tài)測量，根據(jù)結(jié)果判斷粒子A傳輸過程中量子信道的安全性。兩步QSDC協(xié)議（續(xù)）（7）如果信道不安全，則由于竊聽者只能截取糾纏對中的一個(gè)粒子，因此她不能得到有用信息；（8）Alice和Bob對獲得消息進(jìn)行糾錯(cuò)。兩次安全性分析：第一次安全分析：Eve不能同時(shí)得到糾纏對的兩個(gè)光子A和B，無法得到機(jī)密信息第二次安全性分析：判斷竊聽者是否在A序列的傳輸過程中破壞了A與B的量子關(guān)聯(lián)性，從而判斷所得到的結(jié)果是否正確。實(shí)現(xiàn)框圖圖5.9利用光學(xué)延遲方法來實(shí)現(xiàn)兩步QSDC的原理圖基于單光子的QSDC假設(shè)Alice要將信息傳輸給Bob，其協(xié)議詳細(xì)描述如下：①Bob準(zhǔn)備N個(gè)單光子，這些單光子隨機(jī)地處于下列4個(gè)量子態(tài)之一：

然后將這N個(gè)光子依次發(fā)送給Alice?；趩喂庾拥腝SDC協(xié)議②Alice接收到光子后，隨機(jī)地選擇部分光子在Z基或X基下對光子進(jìn)行測量，然后將這些光子的位置，測量基和測量結(jié)果告訴Bob。Bob通過這些光子的錯(cuò)誤率判斷信道的安全性，如果信道安全則進(jìn)入下一步，否則終止通信。③Alice在信息序列中加入部分校驗(yàn)比特，然后按如下規(guī)則進(jìn)行編碼操作：

其中：

U操作不改變編碼基。然后，Alice將這些光子再依次發(fā)送給Bob?；趩喂庾拥腝SDC協(xié)議④由于U操作不改變光子的編碼基，因此Bob接收到光子后，在自己的編碼基下對接收到的光子進(jìn)行測量。

然后Alice公布檢驗(yàn)序列的位置和數(shù)值，Bob根據(jù)自己的測量結(jié)果判斷信道的安全性。如果信道安全，則Bob可以根據(jù)光子的初始信息得到Alice傳遞的信息。即使信道不安全，由于不知道光子的編碼基和初始狀態(tài)，因此Eve只能得到隨機(jī)的測量結(jié)果，信息序列仍然安全。5QSDC實(shí)驗(yàn)32基于單光子的QSDC實(shí)驗(yàn)332016年山西大學(xué)與清華大學(xué)聯(lián)合團(tuán)隊(duì)完成第一基于單光子的QSDC方案實(shí)驗(yàn)QSDC實(shí)驗(yàn)34FengZhuet.al.,Experimentallong-distancequantumsecuredirectcommunication,ScienceBulletin62(2017)1519–1524實(shí)驗(yàn)結(jié)果35FengZhuet.al.,Experimentallong-distancequantumsecuredirectcommunication,ScienceBulletin62(2017)1519–152436Zhangetal.Light:Science&Applications(2022)11:8337Zhangetal.Light:Science&Applications(2022)11:83基于糾纏光子的QSDC實(shí)驗(yàn)382017年中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、南京郵電大學(xué)聯(lián)合團(tuán)隊(duì)利用現(xiàn)有的原子量子存儲器演示了兩步量子安全直接通信方案2019：PracticalDL04-QSDC39RuoyangQi,et.al.,Implementationandsecurityanalysisofpracticalquantumsecuredirectcommunication,Light:Science&Applicationsvolume8:22(2019)2019：PDL04-QSDC40BB84statessecuritycheckSecretcapacityestimationCoding:classicalandquanutm★BERestimationforLDPCdecoding2