基于腔QED任意两个Bell态纠缠交换的无信息泄露量子对话协议

摘要

本发明提出一个基于腔QED任意两个Bell态纠缠交换的无信息泄露量子对话协议，有效利用了腔QED中原子的演化规律和任意两个Bell态纠缠交换结果。而且，本发明的协议还利用一个共享的秘密Bell态克服信息泄露问题，使得Alice和Bob合法双方能够无信息泄露地交换他们彼此的秘密信息。共享的秘密Bell态具有两个作用：一方面，使得Bob知道制备的初态；另一方面，用于编码Bob的秘密信息和进行纠缠交换。另外，本发明的协议能够抵抗外部窃听者的主动攻击，如截获-重发攻击、测量-重发攻击和纠缠-测量攻击。

主权项

1.一种基于腔QED任意两个Bell态纠缠父换的无信息泄露量子对话协议，有效利用了腔QED中原子的演化规律和任意两个Bell态纠缠交换结果，并且利用一个共享的秘密Bell态克服信息泄露问题，共享的秘密Bell态使Bob知道制备的初态并用于编码Bob的秘密信息和进行纠缠交换，其共包括以下五个过程：S1)量子态制备：Alice制备2N个随机处于四个Bell态之一的量子态{(A₁，B₁)，(A₂，B₂)，…，(A_2N，B_2N)}，这里，下标代表每个Bell态的顺序；A1ice事先让每两个相邻的Bell态(A_2n-1，B_2n-1)和(A_2n，B_2n)(n＝1，2，…，N)处于相同的状态；来自每个Bell态的原子A(B)形成一个有序原子序列S_A(S_B)，即S_A＝{A₁，A₂，…，A_2N}和S_B＝{B₁，B₂，…，B_2N}；Alice制备另一簇Bell态作为样本量子态用于安全检测，并将原子A(B)随机插入相应的原始序列S_A(S_B)，相应地，序列S_A(S_B)转变成新序列S′_A(S′_B)；然后，Alice将S′_B发送给Bob，并自己保存S′_A；S2)第一次安全检测：在Bob向Alice证实他已经收到序列S′_B后，他们开始进行第一次安全检测；Alice告诉BobS′_B中样本原子B的位置；然后，Bob随机选择Z基({|g>，|e>})或X基({|+>，|->})测量S′_B中的样本原子B，并告诉Alice他的测量基和测量结果；Alice选择相同的测量基测量S′_A中的样本原子A；通过比较她自己的测量结果和Bob的测量结果，Alice能够判断是否存在窃听；如果信道是安全的，根据Bell态原子间的纠缠相关性，他们的测量结果应该是高度相关的，那么通信继续，否则，错误率将超过门限从而通信被终止；S3)Alice的编码：在剔除样本原子后，S′_A和S′_B分别转变回S_A和S_B；Alice和Bob将他们自己的序列进行分组(一组包含两个相邻的原子)，即(A_2n-1，A_2n)形成S_A中的一组，(B_2n-1，B_2n)形成S_B中的一组(n＝1，2，…，N)；他们商定，每组中Alice施加酉操作的原子A的位置应该与对应组中Bob施加酉操作的原子B的位置不同；也就是说，在第n组，如果Alice对原子A_2n-1(A_2n)施加她的酉操作Bob应当对原子B_2n(B_2n-1)施加他的酉操作这里假定Alice对A_2n-1(n＝1，2，…，N)施加来编码她的秘密信息；Alice制备大量的随机处于四个量子态{|g>，|e>，|+>，|->}之一的单原子作为样本原子用于第二次安全检测，并将这些单原子随机插入S_A，相应地，S_A转变成一个新序列S″_A；然后，Alice将S″_A发送给Bob；S4)第二次安全检测：在Bob向Alice证实他已经收到序列S″_A后，Alice告诉BobS″_A中样本原子的位置和制备基；然后，Bob用与Alice的制备基相同的基态测量样本原子并告诉Alice他的测量结果；通过比较样本原子的初态和Bob的测量结果，Alice能够判断是否存在窃听；如果信道是安全的，通信继续，否则，错误率将超过门限从而通信被终止；S5)量子对话：在剔除样本原子后，S″_A再次转变回S_A；拥有两个序列S_A和S_B在手上后，Bob按顺序分别从每个序列挑出一个原子，并将每两个相邻的Bell态存为一组，即第n组包含两个Bell态Bob首先对(A_2n，B_2n)进行Bell基测量，因此他将知道Alice制备的第n组的初态；根据他的Bell基测量结果，Bob重新产生一对新的没有进行过量子态测量的(A_2n，B_2n)；然后，Bob对新原子B_2n施加来编码他的秘密信息，那么第n组将从变成Bob将原子和A_2n同时送入上面所述的一个单模腔，在经典场驱动下，它们同时与这个单模腔发生反应；与此同时，Bob将原子B_2n-1和同时送入另一个同样的单模腔，在经典场驱动下，它们也同时与这个单模腔发生反应；在两种情况下Bob都选择反应时间和拉比频率以满足λt＝π/4和Ωt＝π；然后，在它们飞出各自的单模腔后，Bob用Z基分别测量原子和A_2n的状态以及原子B_2n-1和的状态；接着，Bob向Alice公布原子和A_2n以及原子B_2n-1和的测量结果；从Bob的公布，根据关于腔QED任意两个Bell态纠缠交换结果所隶属的集合的规律，Alice能够推断出的四种可能状态；而且，根据她自己的酉操作既然她自己制备初态，Alice能够知道Bob的秘密信息(k_n，l_n)；另一方面，从他自己的测量结果，根据关于腔QED任意两个Bell态纠缠交换结果所隶属的集合的规律，Bob也能够推断出的四种可能状态；根据他自己的酉操作Bob能够知道Alice的秘密信息(i_n，j_n)，既然他从(A_2n，B_2n)的Bell基测量知道制备的初态；明显的是，(A_2n，B_2n)扮演了Alice和Bob之间一个共享秘密Bell态的角色，具有两种作用：一方面，使得Bob知道制备的初态，另一方面，用于编码Bob的秘密信息和进行纠缠交换。