搜索

x

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

基于单光子的高效量子安全直接通信方案

赵宁 江英华 周贤韬

引用本文:
Citation:

基于单光子的高效量子安全直接通信方案

赵宁, 江英华, 周贤韬

Efficient quantum secure direct communication scheme based on single photons

Zhao Ning, Jiang Ying-Hua, Zhou Xian-Tao
PDF
HTML
导出引用
  • 首先介绍了单次发送单光子的量子安全直接通信方案的具体步骤. 基于该方案的基本步骤, 逐步扩展到分两次和分四次发送单光子序列的量子安全直接通信方案, 重点介绍各方案对应的编码规则. 分析上述方案的效率可以看出, 发送次数的增加可以增加单光子的分类, 大大提高每个单光子的编码容量和整个通信中量子态的传输效率. 最后提出有通用性的分n (n为2的整数次幂)次发送单光子来进行量子安全直接通信的方案及其编码规则, 经过安全性分析证明方案安全可行. 通过效率分析, 该方案比现有方案的通信效率更高, 而且该方案的实施只用到单光子, 不涉及量子纠缠, 实现难度更小.
    In this work, we first introduce the specific steps of a quantum-secure direct communication scheme that sends a single photon at a time. Based on the basic steps of the scheme, it is gradually extended to a quantum secure direct communication scheme that transmits single-photon sequences twice and four times, with emphasis on the coding rules corresponding to each scheme. The purpose is that through the above scheme, it can be intuitively seen in the subsequent efficiency analysis that with the increase of the number of transmissions, the classification of single photons can be increased, and the encoding capacity of each single photon and the transmission efficiency of quantum states in the entire communication can be greatly improved. Finally, a universal scheme and coding rules for quantum secure direct communication by sending single photons in an integer power of 2 are proposed, and after security analysis the scheme proves to be safe and feasible. Through the efficiency analysis, the communication efficiency of this scheme is higher than that of the existing scheme, and the implementation of this scheme only uses a single photon, does not involve with quantum entanglement, and this scheme has more application values.
      通信作者: 赵宁, 1720277914@qq.com
      Corresponding author: Zhao Ning, 1720277914@qq.com
    [1]

    欣龙 2019 硕士学位论文 (兰州: 兰州大学)

    Xin L 2019 M. S. Thesis (Lanzhou: Lanzhou University)

    [2]

    Bennett C H, Brassard G 1984 Proceedings of the IEEE International Conference on Computers, Systems, and Signal Processing (New York: IEEE Press) p175

    [3]

    Ekert A K 1991 Phys. Rev. Lett. 67 661Google Scholar

    [4]

    王争艳 2019 硕士学位论文(沈阳: 沈阳工业大学)

    Wang Z Y 2019 M. S. Thesis (Shenyang: Shenyang Gongye University)

    [5]

    Sheng Y B, Zhou L, Long G L 2022 Science Bulletin. 67 367Google Scholar

    [6]

    Long G L, Liu X S 2002 Phys. Rev. A 65 032302Google Scholar

    [7]

    余松, 柏明强, 唐茜, 莫智文 2021 量子电子学报 38 57

    Yu S, Bo M Q,Tang Q, Mo Z W 2021 Chin. J. Quantum Electron 38 57

    [8]

    Liu Z H, Chen H W 2013 Chin. Phys. Lett. 30 079901Google Scholar

    [9]

    Liu Z H, Chen H W, Liu W J 2016 Chin. Phys. Lett. 33 070305Google Scholar

    [10]

    Deng F G, Long G L, Liu X S 2003 Phys. Rev. A 68 042317Google Scholar

    [11]

    Deng F G, Long G L 2004 Phys. Rev. A 69 052319Google Scholar

    [12]

    权东晓, 裴昌辛, 刘丹, 赵楠 2010 物理学报 59 2493Google Scholar

    Quan D X, Pei C X, Liu D, Zhao N 2010 Acta Phys. Sin. 59 2493Google Scholar

    [13]

    曹正文, 赵光, 张爽浩, 冯晓毅, 彭进业 2016 物理学报 65 230301Google Scholar

    Cao Z W, Zhao G, Zhang S H, Feng X Y, Peng J Y 2016 Acta Phys. Sin. 65 230301Google Scholar

    [14]

    刘志昊, 陈汉武 2017 物理学报 66 130304Google Scholar

    Liu Z H, Chen H W 2017 Acta Phys. Sin. 66 130304Google Scholar

    [15]

    赵宁, 江英华, 周贤韬, 郭晨飞, 刘彪 2021 网络安全技术与应用 08 30Google Scholar

    Zhao N, Jiang Y H, Zhou X T, Guo C F, Liu B 2021 Network Security Technology 08 30Google Scholar

    [16]

    周贤韬, 江英华, 郭晨飞, 赵宁, 刘彪 2021 量子电子学报 https://kns.cnki.net/kcms/detail/34.1163.TN.20210927.2021.002.html

    Zhou X T, Jiang Y H, Guo C F, Zhao N, Liu B 2021 Chin. J. Quantum Electron. https://kns.cnki.net/kcms/detail/34.1163.TN.20210927.2021.002.html (in Chinese)

    [17]

    周贤韬, 江英华 2022 激光技术 46 79Google Scholar

    Zhou X T, Jiang Y H 2022 Laser Technology 46 79Google Scholar

    [18]

    王剑, 张盛, 张守林, 张权 2009 国防科技大学学报 31 51Google Scholar

    Wang J, Zhang S, Zhang S L, Zhang Q 2009 J. Nat. Univ. Defense 31 51Google Scholar

    [19]

    李雪杨, 昌燕, 张仕斌, 代金鞘, 郑涛 2020 计算机应用与软件 37 292Google Scholar

    Li X Y, Chang Y, Zhang S B, Dai J Q, Zheng T 2020 Computer Applications and Software 37 292Google Scholar

    [20]

    危语嫣, 高子凯, 王思颖, 朱雅静, 李涛 2022 物理学报 71 050302Google Scholar

    Wei Y Y, Gao Z K, Wang S Y, Zhu Y J, Li T 2022 Acta. Phy. Sin. 71 050302Google Scholar

  • 图 1  方案流程图1

    Fig. 1.  Scheme flow chart 1.

    表 1  编码规则一

    Table 1.  Coding Rule 1.

    信息序列量子态 信息序列量子态
    00$ \left| 0 \right\rangle $10$ \left| + \right\rangle $
    11$ \left| 1 \right\rangle $01$ \left| - \right\rangle $
    下载: 导出CSV

    表 2  编码规则二

    Table 2.  Coding Rule 2.

    信息序列量子态信息序列量子态
    000$ \left| {{0_1}} \right\rangle $001$ \left| {{0_2}} \right\rangle $
    111$ \left| {{1_1}} \right\rangle $110$ \left| {{1_2}} \right\rangle $
    011$ \left| {{ + _1}} \right\rangle $010$ \left| {{ + _2}} \right\rangle $
    100$ \left| {{ - _1}} \right\rangle $101$ \left| {{ - _2}} \right\rangle $
    下载: 导出CSV

    表 3  编码规则三

    Table 3.  Coding Rule 3.

    信息序列量子态 信息序列量子态
    0000$ \left| {{0_1}} \right\rangle $1000$ \left| {{0_3}} \right\rangle $
    1111$ \left| {{1_1}} \right\rangle $0111$ \left| {{1_3}} \right\rangle $
    0001$ \left| {{ + _1}} \right\rangle $0011$ \left| {{ + _3}} \right\rangle $
    1110$ \left| {{ - _1}} \right\rangle $1100$ \left| {{ - _3}} \right\rangle $
    0010$ \left| {{0_2}} \right\rangle $0101$ \left| {{0_4}} \right\rangle $
    1101$ \left| {{1_2}} \right\rangle $1010$ \left| {{1_4}} \right\rangle $
    0100$ \left| {{ + _2}} \right\rangle $1001$ \left| {{ + _4}} \right\rangle $
    1011$ \left| {{ - _2}} \right\rangle $0110$ \left| {{ - _4}} \right\rangle $
    下载: 导出CSV

    表 4  编码规则四

    Table 4.  Coding Rule 4.

    信息序列量子态$ \cdots $信息序列量子态
    $ \overbrace {0 \cdots 0}^{{{\log }_2}\left( {4 n} \right)} $$ \left| {{0_1}} \right\rangle $$ \cdots $$ \overbrace {0 \cdots 10}^{{{\log }_2}\left( {4 n} \right)} $$ \left| {{0_n}} \right\rangle $
    $ \overbrace {1 \cdots 1}^{{{\log }_2}\left( {4 n} \right)} $$ \left| {{1_1}} \right\rangle $$ \cdots $$ \overbrace {1 \cdots 01}^{{{\log }_2}\left( {4 n} \right)} $$ \left| {{1_n}} \right\rangle $
    $ \overbrace {0 \cdots 1}^{{{\log }_2}\left( {4 n} \right)} $$ \left| {{ + _1}} \right\rangle $$ \cdots $$ \overbrace {0 \cdots 11}^{{{\log }_2}\left( {4 n} \right)} $$ \left| {{ + _n}} \right\rangle $
    $ \overbrace {1 \cdots 0}^{{{\log }_2}\left( {4 n} \right)} $$ \left| {{ - _1}} \right\rangle $$ \cdots $$ \overbrace {1 \cdots 00}^{{{\log }_2}\left( {4 n} \right)} $$ \left| {{ - _n}} \right\rangle $
    下载: 导出CSV

    表 5  参数对比

    Table 5.  Parameter comparison.

    QSDC通信协议传输
    效率
    量子比特率编码容量
    邓富国Two-Step [11]111 qubit: 2 bit
    权东晓基于单光子单向[12]0.511 qubit: 1 bit
    曹正文基于单光子与Bell态结合[13]211 qubit: 3 bit
    基于单光子与GHZ态结合[16]211 qubit: 4 bit
    基于单光子与n粒子GHZ态结合[17]211 qubit: (1+n)bit
    王剑基于纠缠交换[18]111 qubit: 2 bit
    单次发送单光子211 qubit: 2 bit
    分两次发送单光子311 qubit: 3 bit
    分4次发送单光子411 qubit: 4 bit
    n(n是2的整数次幂)次
    发送单光子
    $ {\text{lo}}{{\text{g}}_2}\left( {4 n} \right) $11 qubit:
    $ {\text{lo}}{{\text{g}}_2}\left( {4 n} \right) $bit
    下载: 导出CSV
  • [1]

    欣龙 2019 硕士学位论文 (兰州: 兰州大学)

    Xin L 2019 M. S. Thesis (Lanzhou: Lanzhou University)

    [2]

    Bennett C H, Brassard G 1984 Proceedings of the IEEE International Conference on Computers, Systems, and Signal Processing (New York: IEEE Press) p175

    [3]

    Ekert A K 1991 Phys. Rev. Lett. 67 661Google Scholar

    [4]

    王争艳 2019 硕士学位论文(沈阳: 沈阳工业大学)

    Wang Z Y 2019 M. S. Thesis (Shenyang: Shenyang Gongye University)

    [5]

    Sheng Y B, Zhou L, Long G L 2022 Science Bulletin. 67 367Google Scholar

    [6]

    Long G L, Liu X S 2002 Phys. Rev. A 65 032302Google Scholar

    [7]

    余松, 柏明强, 唐茜, 莫智文 2021 量子电子学报 38 57

    Yu S, Bo M Q,Tang Q, Mo Z W 2021 Chin. J. Quantum Electron 38 57

    [8]

    Liu Z H, Chen H W 2013 Chin. Phys. Lett. 30 079901Google Scholar

    [9]

    Liu Z H, Chen H W, Liu W J 2016 Chin. Phys. Lett. 33 070305Google Scholar

    [10]

    Deng F G, Long G L, Liu X S 2003 Phys. Rev. A 68 042317Google Scholar

    [11]

    Deng F G, Long G L 2004 Phys. Rev. A 69 052319Google Scholar

    [12]

    权东晓, 裴昌辛, 刘丹, 赵楠 2010 物理学报 59 2493Google Scholar

    Quan D X, Pei C X, Liu D, Zhao N 2010 Acta Phys. Sin. 59 2493Google Scholar

    [13]

    曹正文, 赵光, 张爽浩, 冯晓毅, 彭进业 2016 物理学报 65 230301Google Scholar

    Cao Z W, Zhao G, Zhang S H, Feng X Y, Peng J Y 2016 Acta Phys. Sin. 65 230301Google Scholar

    [14]

    刘志昊, 陈汉武 2017 物理学报 66 130304Google Scholar

    Liu Z H, Chen H W 2017 Acta Phys. Sin. 66 130304Google Scholar

    [15]

    赵宁, 江英华, 周贤韬, 郭晨飞, 刘彪 2021 网络安全技术与应用 08 30Google Scholar

    Zhao N, Jiang Y H, Zhou X T, Guo C F, Liu B 2021 Network Security Technology 08 30Google Scholar

    [16]

    周贤韬, 江英华, 郭晨飞, 赵宁, 刘彪 2021 量子电子学报 https://kns.cnki.net/kcms/detail/34.1163.TN.20210927.2021.002.html

    Zhou X T, Jiang Y H, Guo C F, Zhao N, Liu B 2021 Chin. J. Quantum Electron. https://kns.cnki.net/kcms/detail/34.1163.TN.20210927.2021.002.html (in Chinese)

    [17]

    周贤韬, 江英华 2022 激光技术 46 79Google Scholar

    Zhou X T, Jiang Y H 2022 Laser Technology 46 79Google Scholar

    [18]

    王剑, 张盛, 张守林, 张权 2009 国防科技大学学报 31 51Google Scholar

    Wang J, Zhang S, Zhang S L, Zhang Q 2009 J. Nat. Univ. Defense 31 51Google Scholar

    [19]

    李雪杨, 昌燕, 张仕斌, 代金鞘, 郑涛 2020 计算机应用与软件 37 292Google Scholar

    Li X Y, Chang Y, Zhang S B, Dai J Q, Zheng T 2020 Computer Applications and Software 37 292Google Scholar

    [20]

    危语嫣, 高子凯, 王思颖, 朱雅静, 李涛 2022 物理学报 71 050302Google Scholar

    Wei Y Y, Gao Z K, Wang S Y, Zhu Y J, Li T 2022 Acta. Phy. Sin. 71 050302Google Scholar

  • [1] 沈姗姗, 顾国华, 陈钱, 何睿清, 曹青青. 时空域联合编码扩频单光子计数成像方法. 物理学报, 2023, 72(2): 024202. doi: 10.7498/aps.72.20221438
    [2] 危语嫣, 高子凯, 王思颖, 朱雅静, 李涛. 基于单光子双量子态的确定性安全量子通信. 物理学报, 2022, 71(5): 050302. doi: 10.7498/aps.71.20210907
    [3] 危语嫣, 高子凯, 王思颖, 朱雅静, 李涛. 基于单光子双量子态的确定性的安全量子通讯. 物理学报, 2021, (): . doi: 10.7498/aps.70.20210907
    [4] 尚向军, 马奔, 陈泽升, 喻颖, 查国伟, 倪海桥, 牛智川. 半导体自组织量子点量子发光机理与器件. 物理学报, 2018, 67(22): 227801. doi: 10.7498/aps.67.20180594
    [5] 白鹏, 张月蘅, 沈文忠. 半导体上转换单光子探测技术研究进展. 物理学报, 2018, 67(22): 221401. doi: 10.7498/aps.67.20180618
    [6] 黄科, 李松, 马跃, 田昕, 周辉, 张智宇. 单光子激光测距的漂移误差理论模型及补偿方法. 物理学报, 2018, 67(6): 064205. doi: 10.7498/aps.67.20172228
    [7] 刘志昊, 陈汉武. 基于Bell态粒子和单光子混合的量子安全直接通信方案的信息泄露问题. 物理学报, 2017, 66(13): 130304. doi: 10.7498/aps.66.130304
    [8] 张森, 陶旭, 冯志军, 吴淦华, 薛莉, 闫夏超, 张蜡宝, 贾小氢, 王治中, 孙俊, 董光焰, 康琳, 吴培亨. 超导单光子探测器暗计数对激光测距距离的影响. 物理学报, 2016, 65(18): 188501. doi: 10.7498/aps.65.188501
    [9] 曹正文, 赵光, 张爽浩, 冯晓毅, 彭进业. 基于Bell态粒子和单光子混合的量子安全直接通信方案. 物理学报, 2016, 65(23): 230301. doi: 10.7498/aps.65.230301
    [10] 赵峰. 单向量子密钥纠错协议的纠错性能仿真分析. 物理学报, 2013, 62(20): 200303. doi: 10.7498/aps.62.200303
    [11] 周渝, 张蜡宝, 郏涛, 赵清源, 顾敏, 邱健, 康琳, 陈健, 吴培亨. 超导纳米线多光子响应特性研究. 物理学报, 2012, 61(20): 208501. doi: 10.7498/aps.61.208501
    [12] 王晶晶, 何博, 于波, 刘岩, 王晓波, 肖连团, 贾锁堂. 单光子调制锁定Fabry-Perot腔. 物理学报, 2012, 61(20): 204203. doi: 10.7498/aps.61.204203
    [13] 张蜡宝, 康琳, 陈健, 赵清源, 郏涛, 许伟伟, 曹春海, 金飚兵, 吴培亨. 超导纳米线单光子探测器. 物理学报, 2011, 60(3): 038501. doi: 10.7498/aps.60.038501
    [14] 柯熙政, 卢宁, 杨秦岭. 单光子轨道角动量的传输特性研究. 物理学报, 2010, 59(9): 6159-6163. doi: 10.7498/aps.59.6159
    [15] 权东晓, 裴昌幸, 刘丹, 赵楠. 基于单光子的单向量子安全通信协议. 物理学报, 2010, 59(4): 2493-2497. doi: 10.7498/aps.59.2493
    [16] 王天银, 秦素娟, 温巧燕, 朱甫臣. 多方控制的量子安全直接通信协议的分析及改进. 物理学报, 2008, 57(12): 7452-7456. doi: 10.7498/aps.57.7452
    [17] 王 剑, 陈皇卿, 张 权, 唐朝京. 多方控制的量子安全直接通信协议. 物理学报, 2007, 56(2): 673-677. doi: 10.7498/aps.56.673
    [18] 冯明明, 秦小林, 周春源, 熊 利, 丁良恩. 偏振光量子随机源. 物理学报, 2003, 52(1): 72-76. doi: 10.7498/aps.52.72
    [19] 梁创, 符东浩, 梁冰, 廖静, 吴令安, 姚德成, 吕述望. 850nm光纤中1.1km量子密钥分发实验. 物理学报, 2001, 50(8): 1429-1433. doi: 10.7498/aps.50.1429
    [20] 廖静, 梁创, 魏亚军, 吴令安, 潘少华, 姚德成. 基于光量子的真随机源. 物理学报, 2001, 50(3): 467-472. doi: 10.7498/aps.50.467
计量
  • 文章访问数:  4995
  • PDF下载量:  80
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2022-01-28
  • 修回日期:  2022-03-28
  • 上网日期:  2022-07-25
  • 刊出日期:  2022-08-05

/

返回文章
返回