基于单光子的高效量子安全直接通信方案 赵宁.pdf

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物理学报
PACS：, DOI:.20220202

1 引 言
量子通信是近半个世纪提出的一种新型的交叉性学科，其主要依据量子力学
的一些基础性原理与性质。学者们在对量子领域的研究中发现了其存在的通信价
值，并尝试将其引入通信领域，加入信息学等诸多领域的知识形成了现在的量子
通信。量子通信相较于传统的通信方式有着极大的优势，理论上可以使通信达到
绝对的安全，在发现其存在的潜力后，诸多专家努力对该领域进行更加深入的研
究。近几年越来越多关于量子领域的通信协议被提出，其目的是形成更加高效安
全的量子通信方案。
目前在量子通信领域，中国走在世界领先位置，墨子号量子卫星的成功发射，
更是该领域能够应用于实践的一个有力证明。在新时代科技强国的背景下，我国
在新的五年计划中也提到要更加重视量子通信的发展。不仅中国，美国、欧盟、
1日本等世界领先的发达经济体都提出要在该领域进行大笔投入，将量子通信作为
重点发展战略之一。
在量子通信协议的研究中，包括量子安全直接通信（QSDC），如邓富国的
Two-Step QSDC 协议[3]，权东晓[4]基于单光子的单向 QSDC 协议。近几年相继提
出的单光子与 bell 态结合[5]，单光子与 GHZ 态结合[8]的 QSDC 协议，笔者在研究
了这些基于单光子与纠缠态粒子结合的混合态量子安全直接通信协议后，发现此
类协议在进行通信效率分析时，纠缠态粒子在通信效率方面表现的并没有单光子
高效，纠缠态粒子的使用会造成协议中传输效率和编码容量的降低。针对这个发
现，笔者尝试仅利用单光子完成 QSDC 通信，以达到更高的通信效率。因此需要
对发送的单光子进行分类，本文提出利用多次发送的方式将单光子分类，在传输
效率和编码效率上要高于单光子与其他纠缠态粒子混合的量子安全直接通信方
案，且此方案的应用难度更小。
2 方案描述
方案中编码规则的制定：综上可以看出，在制定编码规则时，要确保单次发
送单光子序列中，同一测量基下的两种量子态表示的经典比特不存在相同部分，
以免第三方通过 Alice 公布的正确测量基推断出部分秘密信息。例如 中公布
0 1
正确测量基 Z 基对应的量子态 表示 00， 表示 11，第三方从公布的测量基中
0 1
无法得到任何秘密信息。若 表示 00， 表示 01，则第三方可根据公布的 Z
测量基得出秘密信息中两比特经典信息的第一位为 0，造成信息泄露。
假设以下通信方案中为合法通信双方，发送方为 Alice，接收方为 Bob。
单次发送单光子的 QSDC 方案
步骤 1：Alice 制备一串单光子，并按照以下编码规则将秘密信息 M 编码在
2单光子序列上，Alice 记下编码后的单光子序列 S，然后打乱顺序并加入检测粒子
发送给接收方 Bob。
表