基于团簇态的量子安全直接通信理论研究

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量子通信第五章量子安全直接通信

2
AB
AB
③ Bob自己保留粒子B（home qubit），将粒子A（travel
qubit）通过量子信道发送给Alice。
消息传输模式
Alice进行模式选择
控制模式
发送‘0’ Alice对粒子 A进行操作
发送‘1’
操作U 0
操作 U1
Alice对粒子A进行测量
Bob对粒子B进行测量结果不同
对比测量结果
Alice将粒子A返回给Bob Bob对粒子A和B行Bell基测量
结果相同存在窃听者，Bob丢弃已收到的信息
图5.3 Ping-Pong协议流程图
5.1.1 量子安全直接通信的基本概念
5.1.1 量子安全直接通信的基本概念：
1.量子安全直接通信无需产生量子密钥，可以直接安全地传输机密信息，提高了通信效率。
2. 与量子密码通信类似，量子安全直接通信的安全性也是由量子力学中的不确定性关系和非克隆定理以及纠缠粒子的关联性和非定域性等量子特性来保证的，其安全性体现在窃听者得不到任何机密信息。
5.1.1 量子安全直接通信的基本概念
3.与量子密钥分发的不同在于，量子密钥分发要求能够检测出窃听者，放弃通信过程就可以了。但量子安全直接通信传递的是信息，要求在检测到窃听者之前没有泄露信息。
可以说，能用于量子安全直接通信的方法一定能用于量子密钥分发，反之不然。
5.1.2 量子安全直接通信的条件
AB 01 AB 10 AB 2
并将A粒子（travel qubit）发送给Alice，自己保留B粒子（home qubit）。Alice在收到A粒子后，以一定的概率随机地选择控制模式或消息传输模式，并对A粒子进行相应操作。

量子团簇态

量子团簇态全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：量子团簇态是一种新兴的研究领域，它涉及微观粒子聚集在一起形成特定结构体系的量子态。

团簇态具有独特的电子结构和物理性质，可以用于研究材料科学、纳米技术、量子计算等领域。

在过去的几十年里，科学家们对团簇态进行了广泛的研究，并取得了许多重要的突破。

本文将介绍团簇态的基本概念、研究现状和前景展望。

一、团簇态的基本概念团簇态是指由一定数目的原子或分子聚集在一起形成的微纳米尺度结构。

这些原子或分子之间通过共价键、离子键或范德华力等相互作用相连，形成一个紧密结合的体系。

团簇态可以包含几十至几百个原子或分子，具有特定的拓扑结构和几何形状。

在这种微团簇体系中，量子效应开始起主导作用，原子和分子之间的电子结合态得到显著调整，产生了许多新的物理性质。

团簇态的电子结构是其独特之处。

在微观尺度下，原子和分子之间的距离相对较近，在这种情况下，量子力学效应开始显现出来。

电子轨道的相互重叠和量子隧道效应导致了电子结合态的变化，从而导致了团簇态的独特电子结构。

这种电子结构的变化会影响团簇态的光学、磁学、力学等性质，使其成为一种独特的物质形态。

二、团簇态的研究现状团簇态的研究始于上世纪80年代，当时科学家们发现，微团簇体系呈现出与宏观晶体和纳米颗粒不同的物理性质。

他们开始研究团簇态的形成机制、电子结构和物理性质，逐渐揭示了团簇态的奥秘。

近年来，团簇态的研究已取得了许多重要的科学发现，为材料科学、纳米技术、量子计算等领域的发展提供了新的思路和方法。

团簇态在材料科学中的应用备受关注。

团簇态具有独特的电子结构和化学性质，可以用于合成新颖的纳米材料和催化剂。

通过控制团簇态的组成、结构和形状，可以调控材料的性质和功能，为材料科学的发展开辟了新的方向。

团簇态还被应用于纳米技术中，可以制备纳米器件和纳米结构，实现微观世界的控制和操纵。

团簇态还被用于研究量子计算和信息处理，探索新的量子态和量子算法，为量子计算的实现提供了新的途径。

量子安全直接通信方案的研究

·微机网络与通信·1引言量子通信，作为运用量子力学基本原理及量子特性进行信息传输的一种通信方式，因其具有无条件安全、传输效率高、可利用量子物理纠缠资源等特点，受到人们的重视。

量子通信主要包括基于量子密钥分发的量子保密通信[1]、以量子隐形传态为主的量子间接通信[2]和量子安全直接通信[3]等模式。

诸多模式当中，量子安全直接通信是一种直接在量子信道中传输秘密消息的技术[4]，它不需要事先传输秘钥，因此简化了通信过程。

2002年，Kim Bostrom 和Timo Felbinger 提出基于EPR 纠缠粒子的量子安全直接通信方案，即Ping-Pong 方案[5]，该方案分为两个消息和控制模式，但它仅仅为一个准安全的方案。

2003年，邓富国等运用量子密集编码和块传输的思想，提出了基于纠缠对的Two-Step QSDC 方案[6]，采用块传输思想保证通信的安全性。

根据加载信息载体的不同，量子安全直接通信的方案可大致分为两类：(1)基于单光子的量子安全直接通信；(2)基于纠缠的量子安全直接通信[7]。

其中，由于纠缠态具有独特的性质，基于纠缠的量子安全直接通信方案占大部分。

量子安全直接通信方案的研究王争艳，李晖（沈阳工业大学信息科学与工程学院,沈阳110870）摘要:针对量子安全直接通信方案的信息泄露问题，在分析几种经典量子安全直接通信方案的基础上，提出基于混合粒子的量子安全直接通信方案。

方案采用单光子和Bell 态混合的量子态载体来传送信息，能够提高传输效率和编码容量。

利用单光子进行信道检测，检测信道的安全性；采用幺正变换对传输的信息序列进行编码，提高编码过程的便捷性；利用所进行的幺正变换解码得到传输的原始信息序列。

通过实验对方案进行安全性分析和效率分析，结果表明方案有效可行、安全可靠，同时具有较高的传输率。

关键词：量子通信；单光子；Bell 态；量子安全直接通信DOI ：10.3969/j.issn.1002-2279.2019.05.008中图分类号:TN918文献标识码:A 文章编号：1002-2279（2019）05-0029-05Research on the Scheme of Quantum Secure Direct CommunicationWANG Zhengyan,LI Hui(School of Information Science and Engineering,Shenyang University of Technology,Shenyang 110870,China )Abstract:Aiming at the problem of information leakage in quantum secure direct communication schemes,a quantum secure direct communication scheme based on hybrid particles is proposed after analyzing several classical quantum secure direct communication schemes.The scheme uses a quantum state carrier mixed with single photon and Bell state to transmit information,which can improve the transmission efficiency and coding ing single photon to carry out channel detection to detect the security of the channel.The unitary transformation is adopted to encode the transmitted information sequence to improve the convenience of the encoding process.The transmitted original information sequence is obtained by the unitary transformation decoding.Through experiments,the security analysis and efficiency analysis of the scheme show that the scheme is effective,feasible,safe and reliable,and has high transmission rate.Key words:Quantum communication;Single photon;Bell state;Quantum secure direct commu -nication作者简介：王争艳(1993—)，女，安徽省宿州市萧县人，硕士研究生，主研方向：通信信号与信息处理，量子安全通信。

量子密钥分发与量子安全直接通信

钥分发是两种重要的量子信息方式．量子密钥分发通过量子信道产生随机的密钥，而量子安全直接通信直接在量子信道中传输秘密信息．本文力图利用浅显易懂的语言介
绍量子安全直接通信和量子密钥分发的基本原理；重点描述几个典型的量子安全直接
。ＳｃｈｏｏｌｏｆＰｈｙｓｉｃｓ，ＱｉｎｇｄａｏＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｑｉｎｇｄａｏ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ２６００００）
ＡｂｓｔｒａｃｔＱｕａｎｔｕｍｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｈａｓｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｏｆｈｉｇｈｓｅｃｕｒｉｔｙ，ａｎｄｉｔｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｉｍ—
ｋｅｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｒｅｔＷＯｉｍｐｏｒｔａｎｔｍｏｄｅｓｏｆｑｕａｎｔｕｍｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ．Ｉｎｑｕａｎｔｕｍｋｅｙｄｉｓｔｒｉ — ｂｕｔｉｏｎ，ｒａｎｄｏｍｋｅｙｓａｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｔｈｒｏｕｇｈａｑｕａｎｔｕｍｃｈａｎｎｅｌ，ｗｈｅｒｅａｓｓｅｃｒｅｔｍｅｓｓａｇｅｓａｒｅｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｄｄｉｒｅｃｔｌｙｔｈｒｏｕｇｈａｑｕａｎｔｕｍｃｈａｎｎｅｌｉｎｑｕａｎｔｕｍｓｅｃｕｒｅｄｉｒｅｃｔｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ．Ｉｎｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅ，ｔｈｅａｕｔｈｏｒｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｔｈｅｂａｓｉｃｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓｏｆｑｕａｎｔｕｍｋｅｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｎｄｑｕａｎ— ｔｕｒｎｓｅｃｕｒｅｄｉｒｅｃｔｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｉｎｓｉｍｐｌｅａｎｄｐｌａｉｎｌａｎｇｕａｇｅ，ａｎｄｄｅｓｃｒｉｂｅｉｎｄｅｔａｉｌｓｓｅｖｅｒａｌｔｙｐｉｃａｌｐｒｏｔｏｃｏｌｓｏｆｑｕａｎｔｕｍｓｅｃｕｒｅｄｉｒｅｃｔｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ．ＴｈｅｙｗｉｌｌａｌｓｏｄｉｓｃｕｓｓｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｓｔａｔｕｓｏｆｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｔｈｅｆｉｅｌｄｓａｎｄｇｉｖｅａｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅｖｉｅｗＯｉｌｔｈｅｆｕｔｕｒｅｒｅｓｅａｒｃｈ．

基于量子直传协议的安全即时通信系统模型设计

１量子直传乒乓协议的工作原理及其安全特性分析
１１量子直传乒乓协议的工作原理．
乒乓直传协议基本原理是通过对爱因斯坦一玻多尔斯基一罗森（ＥＲ）纠缠对的局域操作和量子Ｐ
传送来传递保密信息．记光子的水平极化（ｘ轴）沿和垂直极化（ｙ）沿轴态分别为１＞和Ｉ＞，Ｂｌ基０则ｅ１ｌＩ＞：（０＞±ｌ＞）√ 是处在２维空间Ｈ＝ＨｏＨ里的最大纠缠态．１１１０／２。单独测量Ｉ＞中任意一个
光子的偏振态，无法区别Ｉ＞和Ｉ一＞的．一方面，为Ｉ＞和Ｉ一＞彼此正交，对纠缠光子对的是另因则
联合测量可以区分开这两个态．乓协议正是利用这一性质，现量子直传通信．乒实
乒乓协议的工作原理如下：发送方为Ａｉ，收方为ＢｂＢｂ制备出纠缠光子对，缠态为Ｉ记ｌｅ接ｃｏ．ｏ纠＞．
维普资讯
第２４卷第３朗２００６年９月
湖北民族学院学报（自然科学版）
Ｊｕｏｍ￣ｏＨｂｉｎｔｕｒａｏａｔｓＮｔａＳｉｃｄｔｎｆｕｅＩｓｔｔｆｔｎｌｉ（ａｒｃｎｅＥｉｏ）ｉｅｏＮｉｉｅｕｌｅｉ
量子信道直接传送明文．关键词：子直传；乓协议；时通信；型设计量乒即模
中图分类号：Ｐ９．２Ｔ３３０

基于团簇态的量子秘密共享方案

基于团簇态的量子秘密共享方案程思铤;谭晓青【摘要】A quantum secret sharing scheme based on cluster states is proposed. The sender encodes the classical secret on cluster states by Pauli operation and the receivers recover secret information by joint measurement. It inserts EPR pairs as decoy states into the sequences of state to prevent eavesdropping. It is showed that this protocol is secure to resist attacks of intercept-measurement, intercept-resend and entanglement-measurement by security analysis. At the same time, one cluster state with four particles can share four bits of classical information, such that qubit efficiency goes to100%.%提出了一个基于团簇态的量子秘密共享方案，发送者通过Pauli操作将经典秘密信息编码在团簇态上进行分发，接收者通过联合测量实现秘密共享。

协议插入EPR对作为诱骗态以防止窃听，通过安全性分析证明本协议是安全的，可以抵抗截获-测量、截获-重发和纠缠-测量攻击。

此外，协议传输一个四粒子团簇态可以共享四个经典比特信息，量子比特效率达到100%。

【期刊名称】《计算机工程与应用》【年(卷),期】2016(052)021【总页数】7页(P140-145,161)【关键词】量子秘密共享;团簇态;EPR对;诱骗态;量子比特效率【作者】程思铤;谭晓青【作者单位】暨南大学信息科学技术学院数学系，广州 510632;暨南大学信息科学技术学院数学系，广州 510632【正文语种】中文【中图分类】TP309CHENG Siting，TAN Xiaoqing.Computer Engineering and Applications，2016，52（21）：140-145.1979年，Shamir［1］和Blakley［2］分别提出了秘密共享的概念，他们就如何对经典秘密信息实施安全共享进行了讨论。

基于团簇态信道的双粒子纠缠态可控量子隐形传态

第32卷第4期2008年8月江西师范大学学报(自然科学版)J oI瓜N A L0F肛A N GⅪN O R M A I．U NⅣER s ITY(N A l r I『R A I，S c皿N C E)V01．32№．4A ug．2008基于团簇态信道的双粒子纠缠态可控量子隐形传态洪智慧1，聂义友1一，易小杰1，黄亦斌1，李嵩松1(1．江西师范大学物理与通信电子学院．江西南昌3300凹；2．江西省光电子与通信重点实验室，江西南昌3300凹)摘要：提出利用四粒子团簇态传送一个未知两粒子纠缠态从而实现可控量子隐形传态的方案，发送者对她自己拥有的3个粒子做一次三粒子纠缠完备基联合测量，控制者对其拥有的粒子作局域测量，接收者在控制者的帮助下对其自己拥有的两粒子做相应的幺正变换，即可重新构造出发送者要传送的未知态，完成了可控量子隐形传态．关键词：量子信息；可控量子隐形传态；团簇态；三粒子纠缠完备基；最大纠缠态．中图分类号：o413文献标识码：A1引言1993年，量子隐形传态的开创者B e衄en等…人提出由经典通信和E PR纠缠信道传送一个未知单粒子态，实现量子态的隐形传输．从此量子隐形传态已经成为量子信息领域重要的研究课题之一，人们已经从理论和实验上对量子隐形传态做了广泛研究[”]．而可控量子隐形传态则是1998年由l(a11ss∞等【8J人首先提出，其基本思想是指接收者在控制者的帮助下用自己的粒子将发送的某一粒子的未知量子态重新构建出来．此后人们在可控隐形传态各方面研究都已经取得了很大进展：例如杨等[9]人在Phys．R e v．A上发表文章提出了一种多体可控量子隐形传态的方案，实现了隐形传送多量子比特的量子信息；邓等[10]人介绍了一种对称性的多体可控量子隐形传态的方案，基于B el l测量利用G H z态传送了一个任意二粒子纠缠态；周等【11J 人实现了通过一个纯纠缠量子信道传一个任意的m．quc l i t(多粒子多维的量子系统)态的可控量子隐形传态；张和满[12J提出了由多个代理人控制的传送多个量子比特的量子信息的可控量子隐形传态；满等【13]人真实地构造了一个(2N+1)量子比特的纠缠态，并通过该纠缠态实现了一个任意N量子比特态的可控隐形传态；周等[14]人利用G H z态的特性实现了传送一个未知单量子比特态的可控量子隐形传态．v．N．G or bachev 等[15]人提出了一系列以多粒子态为量子信道的量子隐形传态及超密编码．2001年，R．R且us洲1dor f和H．J．B r i e gel报道了当粒子数不小于四时才能体现出来某些特殊性质的一种新的量子态——团簇态u6|，一维n粒子形式可写成1B．9)。

基于4粒子团簇态实现量子态的双向通信

资助项目．
通信作者：叶志清（１９６０．），男，浙江建德人，教授，主要从事光量子通信和光电子器件的研究．
４９８
江西师范大学学报（自然科学版）
２０１３拄
中，ａ＋ａ：１，ｂ＋ｂ＝１．最大纠缠Ｂｅｌｌ态为
簇态作为量子通道，实现量子态信息的双向通信的
方案，整个通信过程中只用到一个量子信道，操作简
便且花费小．
１量子态的双向通信基本原理
在通信系统中，Ａｌｉｃｅ拥有３个粒子（Ａ、、Ａ），
Ｂｏｂ拥有３个粒子（、、），其中Ａｌｉ Fra bibliotek ｅ的２粒子
１０１１１））＋ａ１ｂｏ（１１０００）＋Ｉ１１ｌｏ＞）＋ａ１ｂ１（Ｉ１００１）＋Ｉｌ１１１））），／ √ ２．（３）
然后，Ｂｏｂ对自己拥有的２个粒子（Ｂ，日）作贝
摘要：提出了一个用４粒子团簇态作为量子信道传输量子态信息以实现双向通信的方案．在该方案中，
通信双方Ａｌｉｃｅ和Ｂｏｂ事先共享一个４粒子团簇态．在通信过程中：首先，将４粒子团簇态与双方要传递
的量子态信息共同构成系综态；然后，Ａｌｉｃｅ和Ｂｏｂ分别对自己拥有的部分粒子作Ｂｅｌｌ基的联合测量，并把测量结果通过经典信道告诉对方；最后，Ａｌｉｃｅ和Ｂｏｂ根据对方公布的测量结果，作相应的幺正变换，就可以在自己的粒子上重现对方要传送的量子态信息．这样就达到了实现量子态的双向通信的目的．

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基于团簇态的量子安全直接通信理论研究
量子安全直接通信是一种新颖的量子通信模式,其最大的特点是在量子信道中直接传输秘密信息,具有高安全性、高容量等优点。

自2000年量子安全直接通信的概念被提出以来,量子安全直接通信得到了快速的发展。

量子纠缠在量子安全直接通信中起着重要作用,根据量子纠缠的关联性和不可克隆性原理,利用不
同的纠缠态和不同的方法完成量子通信。

团簇态拥有最大联通性和持续纠缠性,把团簇态用于量子通信在理论上无疑优越于其他的纠缠态,有利于确保量子通信、计算的有效性和正确性。

提出了一种基于四粒子团簇态的量子安全直接通信协议,实现了4比特秘密信息的传输。

同时,恢复秘密信息时为解密出秘密信息又提出了一种对四粒子系统的一组测量基进行测量区分的方法,即把对4粒子测量基矢的区分转化为对2
粒子进行联合测量即可。

安全性分析证明该协议可有效抵抗截获-重发攻击、截获-测量攻击、纠缠-测量攻击等。

除去用于检测窃听的粒子,理想情况下,协议的量子比特效率接近于1。

该协议不需要对量子态进行纠缠交换等复杂操作,初态无需保密,减少了传
输过程的复杂性。

提出了一种基于五粒子团簇态的量子安全直接通信协议,实现了5比特秘密信息的传输。

同时,恢复秘密信息时为解密出秘密信息又提出了一种对五粒子系统的一组测量基进行测量区分的方法,即把对5粒子测量基矢的区分转化为对2粒子进行联合Bell基和对3粒子进行联合测量即可。

安全性分析证明本协议是安全的。

利用四粒子团簇态的关联性建立量子信道,提出了一种高效的基于团簇态的可控量子安全直接通信协议。

协议中量子信息载体以一定数量构成的块为单位来进行传输,而且除了用于检测窃听的,所有的粒子都被用于传递信息,利用一个四粒子团簇态可以传输4比特的秘密信息,协议量子比特效率较高,安全性分析证
明本协议是安全的。