本講主要內(nèi)容1

概念2

Long-Liu協(xié)議(第一個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)11概念通信：信息的傳輸2經(jīng)典信息

lφ〉A(chǔ)LICEU密性放大密性放大BSM糾纏對

BOB基矢對比信息協(xié)調(diào)隨機(jī)數(shù)發(fā)生器隨機(jī)數(shù)發(fā)生器基矢對比信息協(xié)調(diào)lφ〉2

3量子信號源調(diào)制測量基探測器EPR-source

I信息的傳輸OTP信息

加密

解密QKD單元量子保密通信：經(jīng)典信息

量子隱形傳態(tài)：量子信息/經(jīng)典信息(特例)3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。4量子安全直接通信的要求判斷一個量子通信方案是否是一個真正QSDC的四個基本依據(jù)是[4]:(1)除因安全檢測需要而相對于整個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?！?/p>

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

(Quantum

Secure

DirectCommunication,QSDC)認(rèn)證的公共信道(3)量子安全直接通信龍桂魯，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.10-19

6密文不安全的公共信道密鑰分發(fā)信道(1)經(jīng)典保密通信密文不安全的公共信道量子密鑰協(xié)商信道QSDC

的概念明文發(fā)送方明文發(fā)送方解密密鑰

服務(wù)器解密密

鑰存儲器加密密鑰

服務(wù)器加密密鑰

存儲器接收方接收方量子比特_

明文解碼接收方認(rèn)證的公共信道(2)基于QKD

的保密通信明文明文明文發(fā)送方量子比特

編碼量子直通信道2

Long-Liu協(xié)議(第一個QS

DC協(xié)議)Long,et.al.,PRA2002,65(3),0323027協(xié)議流程Alice

Bob

Alice

BobAliceBobP?(1)P?(2)P?(1)P?(2)P?(1)P?(2)FIG.1.Schematicillustrationof

thenewQKDscheme.第1次安全檢測

第2次安全檢測Alice

andBobagree

beforehand

that

41〉,|42〉,|ψ3〉,|44〉areencodedas00,01,10,11re-spectively.This

coding

increases

the

capacity

of

our

scheme.8(2)Alice

將每對粒子中的一個

發(fā)給Bob;(3)Bob收到了粒子序列后，從中選出部分粒子，進(jìn)行測量，其余粒子保存；(4)Bob

通過經(jīng)典信道告訴Alice

他所測量的粒子序號、測量基，Alice也對相應(yīng)的粒子進(jìn)行測量，然后在公開信道上對比測量結(jié)果，檢測是否存在竊聽(第

一

次竊聽檢測);(5)如果檢測結(jié)果顯示不存在竊聽，

Alice

將糾纏對中剩余的量子比特發(fā)給Bob;(6)Bob

收到Alice

發(fā)來的粒子后，執(zhí)行

Bell

態(tài)測量，記錄測量結(jié)果；(7)Alice

和

Bob

取出部分Bell

測量結(jié)果進(jìn)行錯誤率檢測，若錯誤率低于設(shè)定門限第二次竊

聽檢測),則判定不存在竊聽，除去安全檢測的測量結(jié)果可用作初始密鑰，經(jīng)過糾錯和密性放大即

可獲得安全密鑰。Long,et.al,PRA2002,65(3),032302Long-Liu

00協(xié)議協(xié)議工作流程如下：(1)Alice

制備N個

Bell

態(tài)，每對中的粒子分別記為P,P?,i=1.….N,則糾纏對序列為93

Ping-Pong協(xié)議流程：控制模式與消息模式通信：Alice--->Bob10糾纏源10>

單光子測量AliceBob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。經(jīng)典信道經(jīng)典通信

經(jīng)典通信判斷竊聽者

測量B?

測量

10>-1)

PBS

量子信道

PBS年Alice選擇控制模式B?={0>,1)}Ping-Pong協(xié)議：控制模式Ping-Pong

協(xié)議是由Bostrom和Felbinger,20020:U?=|0><0|+1)〈1|(U?⑧1)|u+〉?B=|4+)?1:

U?=|0)<0|-1)(1|

(U?⑧1)|4+〉=|4-)A

I=|0〉<0|+|1)〈1

4-)?B=(01)?B-|10>??)/

√2BSM量子信道糾纏源BobPing-Pong協(xié)議：消息模式Alice選擇消

息

模

式U?Alice信息編

碼控制信息解碼APing-Pong協(xié)議：流程Bob制備糾纏對φ〉A(chǔ)BBob將粒子A發(fā)送給AliceAlice將粒子A返回給Bob

結(jié)果相同存在竊聽者，Bob丟棄已收到的信息Bob對粒子A和B行Bell基測量消息傳輸模式發(fā)送‘0'

Alice對粒子A

進(jìn)行操作操作U?Bob對粒子B進(jìn)行測量結(jié)果不同對比測量結(jié)果發(fā)送‘1'

Alice對粒子A進(jìn)行測量Alice進(jìn)行

模式選擇控制模式操作

U?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：

x~=(x?,x?……x)

,

其

中

x?

∈{0,1}。②

n=n+1

,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(home

qubit),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.1

Alice對travel

qubit

A在

B?={|0),|1)}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.2

Alice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home

qubit

B

在

B?

基下進(jìn)行測量，結(jié)果記為j;c.4

如

果

i=j,則說明有竊聽存在，終止通信。否則，n=n-1,返回步驟3。Ping-Pong協(xié)議描述-消息模式m.1

定

義C?:=1,C=σ?

。對于xn

∈{0,1},Alice對travelqubit

A執(zhí)行編碼操作

C,

然后將編碼后的粒子發(fā)送給Bob。m.2Bob接收到travel

qubit后，將它和home

qubit進(jìn)行聯(lián)合

測量，得到|w'∈{|yt),??

)。然后按如下規(guī)則解碼：m.3

如果

n<N,

則返回步驟2,當(dāng)

n=N

時，進(jìn)入步驟5。⑤信息x^

從Alice傳輸?shù)搅薆ob,通信過程結(jié)束。復(fù)合系統(tǒng)(a|00)EA+β

|11)EA)

|1〉,/

√2+(a|01).+B|10>EA)

|0>B/

√2■

控制模式下：在Alice測量結(jié)果為“1”時，Bob

的測量結(jié)果為“0”的概率是|a2/2,在Alice測量結(jié)果為“0”時，Bob

測

量結(jié)果“1”的概率也是α12

。因此在控制模式下發(fā)現(xiàn)Eve竊聽的概率為：7Ping-Pong協(xié)議的攻擊假定Eve借助輔助粒子|0>E來進(jìn)行攻擊Eve的糾纏攻擊量子線路■在消息模式下，

Alice以概率P?

對粒子A進(jìn)行U?操作，以概

率Po

對粒子A進(jìn)行U?操作。假定Alice發(fā)送的信息為“1”(進(jìn)行Z變換)(β|10)EA-a|01)EA)|0>g/√2+(a|00)E-B|11)EA)|1)/√2Eve對Alice編碼后的粒子A進(jìn)行信息提取攻擊

(CNOT)Ping-Pong

協(xié)議的攻擊(續(xù))Eve

信息提取攻擊量子線路Ping-Pong協(xié)議信息泄漏分析■Eve

在

基{

a|0)E+B|1)E,a|0>E-β|1)E}下對粒子E

進(jìn)行測量，如果測量結(jié)果為

α

|0>E-β|1〉E,

Alice發(fā)送信息‘1’;如果測量結(jié)果為α

|0>E+β|1〉E,Alice

發(fā)送信息‘0’。4兩步QSDC協(xié)議20兩步QSDC協(xié)議(1)Alice和Bob

將四個Bell態(tài)|y>、v+〉、中)和

份別編碼為

經(jīng)典比特00、01、10和11;(2)Alice

產(chǎn)生N個糾纏光子對，均處

將

這N個糾纏對表示為：[(P(A),P(B)),(P?(A),P?

(B)……(P

√

(A),P

√(B)]

下標(biāo)表示光子的順序，

A,B分別代表每個糾纏對的兩個粒

子

；(3)Alice

從每個糾纏對中拿出一個粒子，比如[P(A),……PN(A)]組成A序列，其余的粒子[P(B),

……PN(B)]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Alice

Bob

Alice

Bob

Alice

Bob

Bob③Pi(1)P(2)P(1)

Pi(2)P(1)P(2)P?(1)P(2)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。如果錯誤率大于門限值，則返回步驟1;AliceBobAliceAliceBob

BobP(1)P(2)P(1)

P(2P(1)P(2)P(1)P(2)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：Uo=I=|0><0|+|1)〈1|Uoo|4->=I|4-〉=|4-)U??=σ?=|0〉〈0|-|1〉〈1|Uo?|4->=σ?|4-〉=|4+〉U?0=σx=|1〉<0|+|0>〈1|

U??|4-)=σx|4-〉=|?〉U??=iσ,=|0>〈1|-|1)<0U|4-)=iσ,|4-〉=|?〉A(chǔ)liceBobAliceAliceBob

AliceBob①P(1)P(2)P(1)

Pi(2)P(1)P?(2)P(1)P(2)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。AliceBobAliceBobAliceBob

AliceBobP(1)P(2)P(1)Pi(2)P(1)P(2)P?(1)P(2)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。兩次安全性分析：□第一次安全分析：Eve

不能同時得到糾纏對的兩個光子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。SRSRCE1

W2SR下行信道信息序列

W1經(jīng)典信道實(shí)現(xiàn)框圖糾纏光子源聯(lián)

合

測

量檢測序列上行信道CE2SRCM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：①

Bob準(zhǔn)備N個單光子，這些單光子隨機(jī)地處于下列4個量子

態(tài)之

一

：

H〉=|0〉|V〉=|1〉然后將這N個光子依次發(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：U?=I=|0〉〈0|+|1)〈1U?=iσ,=|0>〈1|-|1)<0|其

中

：

U?|O)=-|1),U?|1)=|0),U?|+

〉=|-),U?|->=-l+)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。CE

SR

M1Quantum

channelSourcemeasurementClassical

channelBobM2Alice5QSDC實(shí)驗(yàn)31基于單光子的QSDC實(shí)驗(yàn)2016年山西大學(xué)與清華大學(xué)聯(lián)合團(tuán)隊完成第一基于單光子的QSDC

方案實(shí)驗(yàn)Laser?PBS?

AttLaser?FPGASPD?SPD?PBS?PC?AliceBs中

Delay

lineCMf?t?FPGAFrequency

codingBobForwardEClassicalchannelBackward32Feng

Zhu

et.al.,Experimental

long-distance

quantum

securedirect

communication,Science

Bulletin62(2017)1519-152433Port-BSwitch-2Port-A

50:50CouplerTCSPCDSF

QWP-1QWP-2Memory-2PBS-3BobPBS-1

HWP-1θ?Memory-1DSFQSDC實(shí)驗(yàn)PC-2Phofon“B”O(jiān)DL50:50CouplerSwitch-1SPD-1

jBSMPolarizationbeamsplitterHalf

wavelengthplateQuarterwavelengthplateHWPdetectorTCSPCQWP

Timecorrelated

singlephotoncountingDispersionshiftedfiber

DSFSingle

SPDPC-3PBS-6PolarizationcontrollerOpticaldelay

line50:50

CouplerAlicePC-1photonTCSPCSourceSPD-3SPD-4FengZhuet.al.,Experimentallong-distancequantumsecuredirectcommunication,ScienceBulletin62(2017)1519-1524

34(b)102(a)10?10?10?103101(h)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Maximumcoincidencerate(1/s)10°101Distance(km)Maximumcoincidencerate(1/s)一

p=0.02—p=0.03Fig.1

Illustrationoftheproposed

protocol.The

main

channeland

wiretap

channel

are

discrete

and

memoryless.The

service

channel

is

a

classical

authenticatednoiselesspublicchannel,whichtransmitsonlytheassociatedauxiliarydata.Thebluelinesareclassical,whilequbitsaretransmittedoverthe

blackdotted

linesZhang

et

al.Light:Science&Applications(2022)11:8335Service

Channel2

Eavesdropping

DetectionEncodingSender(Alice)MainChannelWiretap

channel10),I1),I+》,I-)|+

〉.I-〉Modulationl+)I-)|StatesPreparationDecoding10>,

|1)Message

SourceDemodulationand

DecodingEavesdropper(Eve)Receiver(Bob)Message

SinkDemodulationPCATTSPDCIRQuantumchannelMach-ZehnderinterferometerlIso\PM

IMPBSISOFPGAFPGAReceiver(Bob)一

Singlemodefiber—Polarization

maintaining

fiberFig.2

Experiment

setup.Laser:1550nmwith

pulse-repetitionfrequency50

MHz;FPGAfeldprogrammablegatearray,ATT

attenuator,PCpolarizationcontroller,ILP

in-line

polarizer,CIRopticalcirculator,PBS

polarizationbeamsplitter,FC90:10

flter

coupler,PMFC

polarization

maintainingfltercoupler,PM

phase

modulator,IM

intensity

modulatorwithextinction

ratioof45.1dB,ISO

isolator,FR90degree

Faraday

rotator,SPDsuperconducting

nanowiresingle-photondetectorwithover85%detectionefficiency,50

Hzdarkcount

rate

and

15ns

reset

time.The

asymmetricMach-Zehnder

interferometerconsistsoftwo

PMFC,andthedelay

length

is

about

2mZhang

et

al.Light:Science&Applications(2022)11:83FR

PBSPM

FCILPPMFCService

channelSender(Alice)PMFC36LaserSPD基于糾纏光子的QSDC

實(shí)驗(yàn)2017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BD

3CouplingWP2WP1λ/2λ/2λ/4Pump1LensMOTBλ/2MNλn2/LensMOTABD4λ/2Signal

2Signal

1DBD2Pump2MirrorD2D1λ2λ/2

λ/4λ/2PBS37Sender2

Error-check3Encoding4

DecodingMainchannelEavesdropperWiretapchannel2019:PracticalDL04-QSDCFig.1llustrationofthePDL04-QSDCprotocol.

The"mainchanneland

the

"wiretap

channel"are

discrete

memoryless

channels.The

mainchannel

represents

a

channel

between

the

sender

and

the

legitimate

receiver,while

the

wiretap

channel

represents

a

channel

between

the

senderandthe

eavesdropperRuoyang

Qi,et.al.,Implementation

and

security

analysis

of

practical

quantum

secure

directcommunication,Light:Science

&Applications

volume8:22(2019)1

PreparationReceiver38P2019:PDL04-QSDCBB84

states

Coding:classicalandquanutmthem

back

to

Bob.(4)BobdecodesAlice'smessagefromhisreceivedsignalsaftermeasuringthequbitsinthe

samebasishe

prepared

them.If

the

error

rate

is

below

thecorrecting

capability

ofthe

LDPC

code,thetransmission

is

successful.Then,they

start

againfrom

step(1)to

send

another

part

of

the

secretmessageuntiltheycompletethetransmissionof

thewhole

message.Ifthe

error

rate

is

larger

than

thecorrectingcapabilityoftheLDPCcode,neitherBob nor

Eve

can

obtain

information.In

this

case,they

★BERestimationforLDPCdecoding

(1)Bob,alegitimateinformationreceiver,prepares

asequenceof

qubits.Eachqubitisrandomlyinoneof

thefourstates

|0),|1〉,|+

〉,and

|->,where

|0>,|1>aretheeigenstates

ofPaulioperatorZ,and

|+),I-〉are

the

eigenstates

of

Pauli

operator

X.Then,he

sends

the

sequence

of

states

to

the

information

senderAlice.(2)After

receiving

thesingle

photonsequence,Alicerandomly

choosessomeof

themand

measures(3)Alice

chooses

a

coding

scheme

for

the

remaining

qubits.This

coding

scheme

is

based

on

theconcatenationof

LDPCcodesthatwillbedescribedinthediscussionsection.Thefollowingtwounitaryoperations,I=|0>(0|+|1)(1|,Y=|1)(0|-10(1map

0'and'I’,respectively;they

are

furtherusedfor

constructing

the

code

words.Then,she

sendsthemrandomlyintheZ-basisortheX-basis.Shepublishes

the

positions,the

measuring

basis

andmeasurement

results

of

those

single

photons.Bobcompares

this

information

with

his

preparations

ofthese

states,estimates

the

bit-error

rate

of

the

Bob-to-Alicechannel,andinformsAlice

through

abroadcast

channel.Thus,Alice

can

estimate

themaximum

secrecy

capacity

Cs

of

the

Bob-to-Alicechannel

using

the

wiretap

channel

theory.security

checkSecret

capacity

estimation39SenderPre-processing

layerErorcorrectingcodeencoderMessage

·

mLocal

random

bitsPublic

randomseed

·(

r-1)usu.LDPCU→Vv→MappingV→CNoise&Loss,FmUHFig.4I

lustration

of

the

coding

scheme.A

message

m

together

with

a

local

random

bitsr

and

public

random

seed

s

are

processed

by

the

reverseuniversal

hashing

families

UHF-1to

vector

u,and

then

u

is

changed

by

LDPC

code

into

v,which

is

mapped

to

codeword

cand

is

then

sent

to

the

receive'ssite.Becauselossanderror,receiver

Bob

receives

a

degraded

codeword,and

then

he

demaps,decodes

and

obtains

the

message

after

performinguniversalhashingfamilies

UHF2019:PDL04-QSDC-codingRuoyang

Qi,et.al.,Implementation

and

security

analysis

of

practical

quantum

secure

directcommunication,Light:Science&Applications

volume8:22(2019)Error

correcting

code

decoderPost-processing

layerm

MessagePublicrandom

seedDemapping

C→VDecoding

V→?UHFū

mReceiver40?s?reliability

2019:PDL04-QSDC-codingcodingtheoremestablishesreliablecommunication

for

legitimate

receiver

Bob

makes

measurements

in

the

sameany

given

degree

of

noise

contamination

of

a

basis

as

he

prepared

them.Though

only

a

fraction

ofcommunicationchannel31.Toensure

the

reliability

ofthephotonsin

a

pseudo-random

sequence

can

reach

Bob’s information,Alice

encodes

the

vector

u

to

v

of

length

N

site,he

can

still

readout

the

coded

bit

by

looking

at

theusing

the

generator

matrix

of

a

specified

LDPC

code.

log-likelihood

ratios

of

each

coded

bit

calculated

from

the

received

sequence,and

he

decodes

the

LDPC

code

withDetails

of

our

coding

scheme

are

illustrated

in

Fig