西安邮电大学网络空间安全学院，陕西 西安 710121
针对已有量子密钥协商协议存在或对参与者能力和设备要求过高，或易受中间人攻击的问题，利用贝尔态的纠缠特性、置换和幺正操作提出了一种具有互认证功能的两方半量子密钥协商协议。协议仅需一方参与者具备全量子能力，而另一方只需具备半量子能力。由于半量子参与方仅需进行反射操作以及简单的量子态制备与测量操作，因此该协议降低了对参与者量子能力与设备的要求。并且所提协议通过执行参与者之间的身份互认证以防止中间人攻击。安全性分析证明了该协议能够有效抵御参与者攻击和外部攻击。此外，综合考量所提协议的功能并分析其性能，并与已有量子密钥协商协议进行对比，可以说明所提协议在性能方面具有一定优势。
量子光学 量子密码 半量子密钥协商 身份互认证 贝尔态
1 福建师范大学数学与信息学院, 福建 福州 350007
2 福建师范大学数字福建大数据安全技术研究所, 福建 福州 350007
3 福建师范大学数字福建环境监测物联网实验室, 福建 福州 350007
利用纠缠交换中结果态和初始态之间存在的关系, 提出一个基于 Bell 态的高效量子安全多方求和协议。该协议中, 一个半可信第三方负责制备 Bell 态作为信号载体, 并将这些载体粒子分发给参与者。随后, 参与者根据其私密数据选择相应的局域幺正算子, 对载体粒子进行编码操作。最后, 参与者对其手中的粒子进行 Bell 基测量, 半可信第三方就可以利用粒子初态和测量结果计算出求和结果。对协议中常见的外部和内部攻击的安全性分析表明所提协议在理论上是安全的。
量子信息 量子密码 安全多方求和 Bell态 纠缠交换 quantum information quantum cryptography secure multiparty summation Bell state entanglement swapping
Author Affiliations
Abstract
1 Nanjing University, National Laboratory of Solid-state Microstructures, School of Physics, Research Institute of Superconducting Electronics, School of Electronic Science and Engineering, College of Engineering and Applied Sciences, Collaborative Innovation Center of Advanced Microstructures, Nanjing, China
2 Sun Yat-sen University, State Key Laboratory of Optoelectronic Materials and Technologies, School of Electronics and Information Technology, Guangzhou, China
Integrated photonics provides a route to both miniaturization of quantum key distribution (QKD) devices and enhancing their performance. A key element for achieving discrete-variable QKD is a single-photon detector. It is highly desirable to integrate detectors onto a photonic chip to enable the realization of practical and scalable quantum networks. We realize a heterogeneously integrated, superconducting silicon-photonic chip. Harnessing the unique high-speed feature of our optical waveguide-integrated superconducting detector, we perform the first optimal Bell-state measurement (BSM) of time-bin encoded qubits generated from two independent lasers. The optimal BSM enables an increased key rate of measurement-device-independent QKD (MDI-QKD), which is immune to all attacks against the detection system and hence provides the basis for a QKD network with untrusted relays. Together with the time-multiplexed technique, we have enhanced the sifted key rate by almost one order of magnitude. With a 125-MHz clock rate, we obtain a secure key rate of 6.166 kbps over 24.0 dB loss, which is comparable to the state-of-the-art MDI-QKD experimental results with a GHz clock rate. Combined with integrated QKD transmitters, a scalable, chip-based, and cost-effective QKD network should become realizable in the near future.
quantum key distribution hybrid photonics single-photon detector Bell-state measurement time-multiplexing Advanced Photonics
2021, 3(5): 055002
由于贝尔态测量是量子信息处理的前提,因此提出了一种针对贝尔态的非破坏性测量方案。在该方案中,将奇偶校验门作为关键器件,利用奇偶校验门不改变输入光子状态的特性实现了C-NOT门和Toffoli门。然后,将Toffoli门和Hadamard门结合实现了对4种贝尔态的确定性测量。所提方案可用于双光子纠缠态测量,并可推广到三光子纠缠态的应用场景中,为贝尔态测量与量子信息处理提供了新的思路。
量子光学 量子信息与处理 贝尔态测量 奇偶校验门 量子逻辑门 光学学报
2021, 41(20): 2027002
空军工程大学信息与导航学院，陕西 西安 710000
量子保真度是量子隐形传态协议的重要评价参数之一，可用于衡量传输初始态与输出态的相似程度。提出了一种利用部分记忆信道提高泡利噪声信道下隐形传态保真度的方法。依据不同的泡利信道噪声参数，具体分析了比特翻转噪声、xz退相位噪声和双泡利噪声三种情况下的平均保真度。通过构造量子隐形传态方案的量子逻辑线路图，分析了量子保真度与噪声参数的关系。针对噪声影响下的隐形传态过程，引入了部分记忆信道，并对部分记忆信道参数进行了分析。结果表明，部分记忆信道可有效提高泡利噪声影响下量子隐形传态协议的保真度。
量子光学 量子通信 量子隐形传态 Bell态 量子保真度 泡利噪声 记忆信道 激光与光电子学进展
2021, 58(5): 0527001
针对被分开在异地的两个纠缠量子比特,本文研究了如何远距离区分纠缠量子比特的四个贝尔态。在区分过程中,利用量子芝诺效应和无相互作用测量,我们可以使任何实际物质粒子出现在两个量子比特之间的公开区域的概率无限趋于零。本文的研究基础是近期被提出的反事实贝尔态分析法［Scientific Reports 8(1),14641,2018］。然而,我们发现该方案中的一个重要步骤是不正确的。在本文中,我们对此错误进行了修正。同时,通过使用多重相位操作替代原方案中的多重量子测量,我们还提升了贝尔态分析的成功率。需要指出的是,在反事实贝尔态分析法中,在有限资源的条件下,物质粒子在公开区域中被找到的概率绝对为零,但贝尔态分析的成功率只能无限趋近于1。而在我们的方案中,贝尔态分析的成功率必然为1,而物质粒子在公开区域中被找到的概率不为零,但可以无限趋于零。由于并不能完全杜绝物质粒子出现在公开区域,我们称本方案为准反事实贝尔态分析。两种方案针对不同情况具有不同的优势。
贝尔态 反事实量子通讯 量子测量 量子纠缠 相位调控 Bell-state analysis counterfactual quantum communication quantum measurement quantum entanglement phase control
1 国防科技大学信息通信学院, 陕西 西安 710106
2 重庆师范大学计算机与信息科学学院, 重庆 401331
一次一密经典通信方式存在密钥丢失的风险,在传输大量数据时密钥会很快消耗完,不适于大数据经典通信,同时量子隐形传态由于要区分四个Bell态,实现起来比较困难。考虑到量子信道不仅能传输量子信息,还可以传输经典信息,提出将量子隐形传态看作量子信道,进而传输经典信息序列。在传输的过程中将待传输的信息0和1分别编码为计算基矢态|0>和|1>,这样在保证安全性的基础上可以不停地生成密钥,适用于大数据通信,同时此方案只需区分两种Bell态,实现起来比较容易。
量子光学 量子隐形传态 Bell基测量 量子信道 线性量子光学 激光与光电子学进展
2019, 56(23): 232602
1 湖南师范大学信息科学与工程学院, 湖南 长沙 410081
2 洞庭湖生态经济区建设与发展湖南省协同创新中心, 湖南 常德 415000
为了抵御弱盲签名的伪造攻击,基于量子纠缠交换原理提出了双重弱盲签名方案。此方案由发送者、 签名者和验证者三方经过初始化、消息盲化、双重盲签名和验证完成。发送者将消息盲化后送给签 名者,签名者用量子可控非门产生盲签名并执行Bell态测量,发送者用量子测量对原始消息再次签 名,验证者对两次签名分别进行验证,并去除盲化恢复原始消息。如果参与者对签名验证的结果有 争议,由可信的签名者对争议进行仲裁。分析表明当密钥满足偶数位恒为1时,该方法不仅能抵御外 部攻击,而且能有效防止发送者篡改,满足了弱盲签名的不可伪造性、不可否认性、盲性和可追踪 性等要求。所提方案在电子商务、电子货币等互联网交易中具有广泛的应用前景。
量子光学 弱盲签名 量子纠缠 Bell态 纠缠交换 quantum optics weak blind signature quantum entanglement Bell state entanglement swapping
成都信息工程大学信息安全学院, 四川 成都 610225
基于Bell态的纠缠特性,提出了一种可以进行双向身份认证的量子密钥分发协议。与传统量子密钥分发协议相比,该协议有零知识性, 能进行双向身份认证,进行一次量子序列传输就能同时完成身份认证与密钥分发。结果表明所提出的量子密钥分发协议能抵御截获/重发攻击及中间人攻击等 一系列攻击。
量子光学 双向身份认证 零知识证明 Bell态 密钥分发 quantum optics two-way identity authentication zero-knowledge proof Bell state 1.8cmkey distribution
1 包头师范学院 物理科学与技术学院,内蒙古 包头 014030
2 内蒙古师范大学 图书馆,内蒙古 呼和浩特 010022
利用全量子理论,研究了Bell态双原子与Pólya态光场相互作用系统的量子纠缠特性,分别讨论了原子初态、最大光子数M、光场参量p和r对系统场熵的影响。结果表明:当最大光子数M足够大时,随着光场参量p和r的逐渐增大,场熵振幅逐渐缩小,场熵演化曲线趋于平稳;与原子初态为|φA(0)〉的情况相比,原子初态为|A(0)〉时,系统的纠缠状态更容易受到光场参量p和r的影响。
量子光学 量子纠缠 Pólya态光场 Bell态原子 quantum optics quantum entanglement Pólya state field atoms in Bell state
