基于双模压缩态和GHZ态的连续变量量子对话协议研究

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随着经典计算机计算能力的增强和对量子计算机研究的不断深入,导致基于计算复杂度的经典密码系统受到了日益严重的威胁,以经典密码学和量子信息学为基础的量子密码学应能较好地应对这一威胁,其无条件安全性由Heisenberg测不准原理和量子不可克隆定理保证,这使得量子密码具备良好的性能及应用前景。在量子通信方面,量子安全直接通信(Quantum secure direct communication,QSDC)是一个极具吸引力的方向,发送方可以在量子信道中直接传输秘密信息给接收方,自Beige等于2002年设计出首个量子安全直接通信协议以来,多种形式的量子安全直接通信策略被陆续提出,量子安全直接通信也成为量子通信领域的一个重要分支。量子对话(Quantum dialogue,QD)可以使通信方同时实现信息接收和发送的目的,通常也被称作双向QSDC。在量子对话协议中,合法用户仅利用量子信道就可以实现信息交换。量子对话协议具有双向通信的优势,这使其受到了研究者的高度重视。然而,已提出的量子对话协议大都基于离散变量量子态,在现有条件下难以实现或传输效率不高,而连续变量量子通信可以较为容易地通过光学设备实现。近年来,连续变量量子通信在理论和实验方面均受到了广泛的关注。本文围绕连续变量量子对话(Continuous-variable quantum dialogue,CVQD)这一热点课题,借助连续变量GHZ态、连续变量双模压缩真空态、块传输策略、诱骗光子等,设计了三个全新的连续变量量子对话协议,并结合密码学知识,对所提出协议的效率及安全性进行了分析,具体研究内容如下:利用双模压缩真空态,设计了一个连续变量量子对话协议,通信双方通过平移操作将秘密信息编码到纠缠光学模中,任意一个通信方通过结合自身的秘密信息及Bell基测量结果,并参照编码规则,可以推断出另一个通信方的秘密信息。该协议的安全性由双模压缩真空态的纠缠特性及选择随机时隙进行诱骗态平移操作保证。相比于已提出的离散变量量子对话协议,该协议易于实现并且协议效率较高。基于块传输方式,提出了一个受多方控制的连续变量量子对话协议,两个合法通信方通过平移操作将秘密信息编码到光学模中,只有在所有控制方均同意的情况下,一个通信方才能获得另外一个通信方的秘密信息。如果有一个控制方不同意此次通信,则通信将会被终止。安全性分析表明该协议能够抵御多种常见攻击,如中间人攻击。基于连续变量GHZ态,一个高效的三方量子对话协议被提出,其中任意一个合法用户能够同时并且高效地推断出另外两个用户的秘密信息。协议的安全性由GHZ态的纠缠特性及随机选择的诱骗态保证。此外,利用n粒子连续变量GHZ态来制备包含n部分的连续变量GHZ态,理论上,该协议可以较为容易地拓展成一个N方共同参与的QD协议。
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