引用本文:
孔奉波,赖红,熊海灵:基于算术编码的确定性安全量子通信[J]. 光通信技术,2019,43(7):31-36.
孔奉波1,赖 红1,熊海灵1,2*
(1.西南大学 计算机与信息科学学院,重庆 400715; 2.西南大学 商贸学院,重庆 402460)
【下载PDF全文】 【下载Word】摘要:为了提高量子直接通信的光子利用率和通信效率,基于算术编码提出了一个确定性安全量子通信方案。首先利用喷泉码预先共享少量经典信息,完成测量基信息和解码信息的共享。然后通过简化的算术编码来编码机密信息并制备对应的单光子序列进行机密信息的传输,算数编码的使用提高了协议通信效率和光子利用率。使用与BB84协议同样的物理设备可实现该方案。通过安全性分析可知:该方案具有较高的安全性,可抵抗现有的截取-测量-重放攻击、假信号攻击、纠缠附加粒子攻击和光子数分离等攻击手段。
关键词:量子直接通信;确定性安全量子通信;单光子;算术编码
中图分类号:TN918 文献标志码:A 文章编号:1002-5561(2019)07-0031-06
DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2019.07.008
0 引言
量子直接通信分为量子安全直接通信(QSDC)和确定性安全量子通信(DSQC)[1]。QSDC与DSQC最大的区别在于除窃听检测外是否需要交换其它经典信息。QSDC无需交换其它经典信息便可直接得到发送方发送的机密信息,而DSQC则需要交换其它经典信息才可以得到发送方发送的机密信息。通过分析现有的多个协议可知,现有的大部分DSQC协议要么利用纠缠交换,要么利用酉操作来进行机密信息的加载和传输。然而,这两类协议均具有以下至少一个缺陷:
①存在安全性漏洞[2-6];②需量子存储器的辅助[7,8-10];
③高维纠缠态光子的测量具备一定的难度且成本较
高[11-13,9-10,14-15];④窃听检测和加载机密信息分两步进行,降低了通信效率[4,7,16];⑤大量光子需来回传输进行窃听检测或消息传递,使其存在木马攻击的风险[4,7,16];⑥每个粒子至少需要1比特的经典信息辅助;⑦需丢弃用于检测窃听的光子,降低了光子利用率。以上问题的存在使现有的大部分DSQC协议在实现上具有一定的技术难度,同时也增加了DSQC的成本。因此,针对上述问题,本文利用单光子作为信号源提出一种基于算术编码的DSQC方案。
3 结束语
本文分析了现有方案存在的诸多问题,针对存在的问题,基于算术编码的思想提出一种DSQC方案。本方案无需纠缠光子,无需酉操作,也无需量子存储器的协助,通过使用与BB84协议同样的物理设备便可实现。结合喷泉码预先共享少量经典信息,完成了机密信息的直接传输和测量解码。结合算术编码,提高光子利用率的同时还增强了方案的安全性,而且算数编码的使用还实现了窃听检测和机密信息加载操作的合并,提高了方案通信效率。安全性分析表明:本方案具有较高的安全性,能抵抗现有的针对量子直接通信的多种攻击手段。除此之外,本方案还可实现双向量子直接通信,因此可将其扩展为量子对话协议。