基于邏輯Bell態(tài)的抗集體退相位噪聲認證量子對話協(xié)議的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一個基于邏輯Bell態(tài)的抗集體退相位噪聲認證量子對話協(xié)議。本發(fā)明提出的協(xié)議能在集體退相位噪聲信道上在兩個參與者之間安全地同時實現(xiàn)相互身份認證和對話。這里，通過經(jīng)典信道傳輸?shù)男畔⒖杀桓`聽和修改。一種用于選擇樣本邏輯量子比特測量基的秘鑰事先被兩個參與者秘密地共享。Bell態(tài)測量而非四量子比特聯(lián)合測量被采用用于解碼。兩個參與者借助于直接傳送輔助邏輯Bell態(tài)共享信息邏輯Bell態(tài)的初態(tài)。這樣，信息泄露問題被避免。來自Eve的扮演攻擊、中間人攻擊和修改攻擊都能被檢測到，而且木馬攻擊天然地被避免。
【專利說明】基于邏輯BelI態(tài)的抗集體退相位噪聲認證量子對話協(xié)議

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及量子安全通信領域。本發(fā)明設計一種基于邏輯Bell態(tài)的抗集體退相 位噪聲認證量子對話協(xié)議，達到在集體退相位噪聲信道上在兩個參與者之間安全地同時實 現(xiàn)相互身份認證和對話的目的。

【背景技術】
[0002] 為了實現(xiàn)通過量子信號在兩個參與者之間進行秘密信息的直接傳送，Long和 Liu[l]在2002年提出第一個量子安全直接通信（QuantumSecureDirectCommunication, QSDC)協(xié)議（隨后被稱為態(tài)編碼兩步協(xié)議）。這個協(xié)議發(fā)明了量子數(shù)據(jù)塊傳輸這一思想。自 從那時起，許多好的QSDC協(xié)議已經(jīng)被構建出來[2-11]。
[0003] 為了實現(xiàn)通過量子信號在兩個參與者之間進行秘密信息的雙向通信，Nguyen[12] 和Zhang等[13-14]在2004年獨立提出量子對話（QuantumDialogue,QD)的概念。此后， 許多QD協(xié)議根據(jù)不同的量子技術被提出來[15-24]。不幸的是，它們總是存在被Gao等 [25-26]在2008年發(fā)現(xiàn)的稱之為信息泄露的安全風險。實質上，QD的信息泄露問題產(chǎn)生于 Tan和Cai[27]在2008年指出的經(jīng)典相關。隨后，怎樣設計無信息泄露的QD協(xié)議迅速引起 研究者們的興趣。這樣，許多好的抗信息泄露QD協(xié)議被設計出來[28-37]。
[0004] 然而，上述所有的QD協(xié)議[12-24, 28-37]只是工作在以下基礎上：通過經(jīng)典信道 傳輸?shù)男畔⒉荒鼙桓`聽和修改。一旦這種假設不成立，它們馬上面臨外在攻擊者扮演攻擊、 中間人攻擊和修改攻擊等攻擊引起的嚴重的安全風險。這樣，一種特殊的稱之為認證量子 對話（AuthenticatedQuantumDialogue，AQD)的QD協(xié)議被Naseri[38]和Shen等[39] 提出來以彌補這一缺陷。然而，正如Lin等[40]在2013年指出的，Shen等的協(xié)議[39]受 到中間人攻擊威脅。Naseri的協(xié)議[38]在這類攻擊下也不例外。隨后，為了改進AQD的安 全性，Lin等[41]提出一個基于Bell態(tài)的AQD協(xié)議，其中兩個參與者能夠安全地同時實現(xiàn) 相互身份認證和對話。在Lin等的協(xié)議[41]中，兩種秘鑰被兩個參與者秘密地共享，其中第 一種秘鑰用于制備初始Bell態(tài)。在這種情形下，兩個參與者預享初始Bell態(tài)。然而，在抗 信息泄露QD領域，量子態(tài)的初態(tài)通常不被兩個參與者預享。Lin等的協(xié)議[41]的另一個缺 點在于它只工作在理想信道。有必要指出的是，之前的抗信息泄露QD協(xié)議[28-37]也只可 工作在理想信道。事實上，光子與實際環(huán)境之間的有害的耦合不可避免地存在。因此，信道 噪聲的影響應當被考慮。正如文獻[42-43]指出的，假如光子在一個比噪聲變化更快的時 間窗里傳輸，信道噪聲可被視為集體噪聲。第一種集體噪聲為集體退相位噪聲，總保持光子 的水平極化態(tài)|〇>不變并且將光子的垂直極化態(tài)|1>轉變?yōu)閨1>[44]。另一種噪聲為集 體旋轉噪聲，總將I〇> 和 11> 分別轉化為coS0 | 0>+sin0 11> 和-sin0 | 0>+coS0 11> [46]。 這里，爐和0是相應的隨時間變化的噪聲參數(shù)。作為一種有效的抵抗集體噪聲的手段，不受 噪聲影響的無消相干<X*ecoherence-Free，DF)態(tài)[42-54]已經(jīng)被常用來設計抗噪聲量子密 碼協(xié)議。例如，文獻[51]和文獻[53]的魯棒QD協(xié)議分別利用兩量子比特DF態(tài)的乘積態(tài) 和兩量子比特DF態(tài)作為量子資源，文獻[54]的魯棒QD協(xié)議利用四量子比特DF態(tài)作為量 子資源。
[0005] 基于以上分析，本發(fā)明利用邏輯Bell態(tài)（一種四量子比特DF態(tài)）作為量子資源 提出一個基于邏輯Bell態(tài)的抗集體退相位噪聲AQD協(xié)議，其中通過經(jīng)典信道傳輸?shù)男畔⒖?被竊聽和修改。本發(fā)明所提出的協(xié)議能在集體退相位噪聲信道上在兩個參與者之間安全地 同時實現(xiàn)相互身份認證和對話。與文獻[41]的協(xié)議類似，一種用于選擇樣本邏輯量子比特 測量基的秘鑰事先被兩個參與者秘密地共享。Bell態(tài)測量而非四量子比特聯(lián)合測量被采用 用于解碼。與文獻[54]的QD協(xié)議類似，兩個參與者借助于直接傳送輔助邏輯Bell態(tài)共享 信息邏輯Bell態(tài)的初態(tài)。這樣，信息泄露問題被避免。來自Eve的扮演攻擊、中間人攻擊 和修改攻擊都能被檢測到，而且木馬攻擊天然地被避免。
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【發(fā)明內(nèi)容】

[0064] 本發(fā)明的目的是設計一種基于邏輯Bel1態(tài)的抗集體退相位噪聲AQD協(xié)議，達到在 集體退相位噪聲信道上在兩個參與者之間安全地同時實現(xiàn)相互身份認證和對話的目的。
[0065] 一種基于邏輯Bell態(tài)的抗集體退相位噪聲AQD協(xié)議，共包括以下七個過程：
[0066]Sl)Alice制備 2N個信息邏輯Bell態(tài){(A。BD，（A2,B2)，…，（A2lri，B2lri)， (A2n，B2n)，--?，（A^h，Bn)，（A2N，B2N)}(n= 1，2，…，N)，其中每兩個相鄰的信息邏 輯Bell態(tài)（A2lri，B2lri)和（A2n，B2n)被制備處于相同的量子態(tài)（隨機處于四個量子態(tài)

【權利要求】
1. 一種基于邏輯Bell態(tài)的抗集體退相位噪聲認證量子對話協(xié)議，能在集體退相位噪 聲信道上在兩個參與者之間安全地同時實現(xiàn)相互身份認證和對話；利用經(jīng)典信道傳輸?shù)男?息可被竊聽和修改；在兩個參與者之間事先秘密地共享一種用于選擇樣本邏輯量子比特測 量基的秘鑰K;采用Bell態(tài)測量而非四量子比特聯(lián)合測量用于解碼；借助于直接傳送輔助 邏輯Bell態(tài)在兩個參與者之間共享信息邏輯Bell態(tài)的初態(tài)以避免信息泄露問題；能檢測 到來自Eve的扮演攻擊、中間人攻擊和修改攻擊，而且天然地避免木馬攻擊；共包括以下七 個過程： SDAlice制備2N個信息邏輯Bell態(tài) {(A1?B1)，（A2，B2)，…，（A2n-pB2n-J，（A2n，B2n)，…，（A2N-pB2N-J，（A2N，B2n) }(η- 1， 2，"·，Ν)，其中每兩個相鄰的信息邏輯Bell態(tài)（A2n^B2J和（A2n，B2n)被制備隨機處于四 個量子態(tài)·{|〇;;>，|〇)&>，|平；^，|平_》之一的相同的量子態(tài)411(^分別挑出帶有奇數(shù)下 標和偶數(shù)下標的邏輯量子比特A來組成序列Sw^PSea,也就是,Sm= (A1,A3,…,A2lri,…，A2n-J和Sea= {Α2，Α4，…，A2n，…，A2N} ;Alice對邏輯量子比特B也做同樣的事情，相應地， 有 S〇B=iBi，B3，…，B2lri，…，B2n-J和Seb =IB2,B4,…，B2n，…，B2J;然后，為了安全 檢測和相互身份認證，Alice制備足夠數(shù)量的樣本邏輯Bell態(tài)（樣本邏輯Bell態(tài)的數(shù)量 等于秘鑰K的長度），并將這些樣本邏輯Bell態(tài)分成分別由邏輯量子比特A和B構成的兩 個子序列；然后，Alice將由樣本邏輯量子比特A構成的子序列隨機插入Sea以形成S'EA ; 同樣地，Alice對樣本邏輯量子比特B和Seb做同樣的事情以形成S'EB ;然后，Alice保持 Sm、EA和Sd3不動，并通過一個量子信道以塊傳輸?shù)姆绞綄EB傳送給Bob; 52) 在Bob告知Alice收到YEB后，Alice檢測YEB的傳輸安全性并認證Bob的 身份；Alice通過一個經(jīng)典信道告訴BobS' %中樣本邏輯量子比特的位置；根據(jù)K，Bob測 量S'EB中的樣本邏輯量子比特以得到測量結果;然后，Bob通過經(jīng)典信道將他的測量 結果發(fā)送給Alice;根據(jù)K，Alice測量S' EA中的樣本邏輯量子比特以得到測量結果 Esfi4;由于Alice親自制備樣本邏輯Bell態(tài)，根據(jù)和A5fi4，她能同時判斷出S' EB傳輸 期間竊聽者的存在性以及Bob的身份；如果Alice發(fā)現(xiàn)有誤，她中斷通信，否則，她也以塊傳 輸?shù)姆绞酵ㄟ^量子信道將S'EA傳送給Bob; 53) 在Bob告知Alice收到S'EA后，Alice告訴BobS' EA中樣本邏輯量子比特的位 置；然后，Bob丟棄Si ^和S'EB中的樣本邏輯量子比特；相應地，Si ^和S' EB被分別 轉變回Sea和Seb ;然后，Bob從Sea和Seb分別挑出邏輯量子比特A2n和B2n，并將它們重新保 存為第2n個信息邏輯Bell態(tài)；然后，為了知道（A2n，B2n)的量子態(tài)，Bob分別對第1和第3 個量子比特以及第2和第4個量子比特施加兩個Bell態(tài)測量；由于每兩個相鄰的信息邏 輯Bell態(tài)（A2^B2lri)和（A2n，B2n)被Alice在步驟Sl制備成處于相同的量子態(tài)，Bob能從 (A2n，B2n)直接知道（A2lri，B2lri)的量子態(tài)； 54. Alice也以塊傳輸?shù)姆绞酵ㄟ^量子信道將Sqb傳送給Bob;然后，Bob從Sqb選擇N/4 個邏輯量子比特作為樣本邏輯量子比特并通過經(jīng)典信道告訴Alice它們的位置；根據(jù)K， Alice測量Sm中相應的樣本邏輯量子比特以得到測量結果;然后，Alice通過經(jīng)典信道 將她的測量結果Asai發(fā)送給Bob;根據(jù)K，Bob測量Sffi中的樣本邏輯量子比特以得到測量結 果斤^ ;然后，由于Bob在步驟S3知道（A2lri,B2lri)的量子態(tài)，根據(jù)，他能同時判 斷出Sffi傳輸期間竊聽者的存在性以及Alice的身份；如果Bob發(fā)現(xiàn)有誤，他中斷通信，否 貝IJ，通信繼續(xù)； 55. Alice和Bob分別按順序丟棄Sm和Sm中的樣本邏輯量子比特；剩余的Sm和Sm分 別用S'oa={A，pA' 2，.-·，Α' 3N/4}和S'ob={B，W2，.-·，Β' 3N/4}來表示；然 后，為了編碼，Alice對A'd(d=l，2,…，3N/4)施加邏輯酉操作這樣，s' @被轉 變?yōu)閊4=p/i;iτ4ρΩ?2Λ4，···,;然后，Alice也以塊傳輸?shù)姆绞酵ㄟ^量 子信道將S"M傳送給Bob; 56) 在收到S" ^后，為了編碼，Bob對施加邏輯酉操這樣，S" M被轉 和S"QB分別挑出Ω?ΛΩ^ν<^ΡΒ'd以構成第d(de{1，2,…，3N/4})組；然后，為了知 白勺i另樹胃 1 矛哺 3 匕牛,--!! 2 矛口H4 比特施加兩個Bell態(tài)測量；根據(jù)他自己的邏輯酉操作Ω&和他對(Ω?ΑΩ?(^<，^)的測 量結果，Bob能夠讀出（id，jd)，因為他知道（A'd，B'd)的量子態(tài)；這里，解碼出的經(jīng)典比 特被表示為VAIIh(mAV，其中VA是解碼出的％，h(mAV是解碼出的h(mA);然后，Bob 計算m'a的哈希值（稱之為h(m'Ο)并將h(m'A)與h(mA)'進行比較；如果它們是相 同的，m'A被Bob認為是真正的mA并且通信繼續(xù)，反之，通信被終止； 57. Bob通過經(jīng)典信道將他對
3m 量結果發(fā)送給Alice;同樣地，根據(jù)她自己的邏輯酉操作Ω?；^，Alice能夠知道（td，ld) (de{l，2, "·，3Ν/4})，因為她自己制備（A'd，B'd);這里，解碼出的經(jīng)典比特被表示為 m'JlhOi%)',其中m'B是解碼出的n^hOi%)'是解碼出的h(mB);然后，Alice計算m'B 的哈希值（稱之為h(m'B))并將h(m'B)和h(mB)'進行比較；如果它們是相同的，m'B 被Alice認為是真正的mB，反之，通/[目被終止。
【文檔編號】H04L9/32GK104468117SQ201410658400
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月18日 優(yōu)先權日:2014年11月18日
【發(fā)明者】葉天語 申請人:浙江工商大學