專利名稱：用量子態注入增強與量子直接安全通信的遠距離通信方法
技術領域：
用量子態注入增強與量子直接安全通信的遠距離通信屬于通信技術領域，特別是量子保密通信技術領域。
背景技術：
量子密碼術是密碼術與量子力學相結合的產物，量子通信則是量子力學與信息科學交叉的產物，已經被證明是絕對安全的。真正的將量子密碼術應用到現實生活通信中，將會給國家的經濟、國防安全帶來不可估計的影響。經過多年來物理學家和計算機學家的深入研究，在量子安全通信、量子密鑰分配、量子計算等方面已經取得了很大的進展。量子密碼通信的作用是用于建立、傳輸密碼本，即在保密通信雙方分配密鑰，物理學的基本原理保證了任何對通信過程的非法竊聽都會在數據傳輸中引起錯誤。通過安全檢測，通信雙方就能夠及時地發現竊聽者的存在而終止通信。迄今為止，量子密碼通信已經成為一項比較成熟的技術；量子密碼通信設備在國外已有正式產品，量子密碼通信研究也得到了世界各國的大力支持和廣泛關注。
量子通信的理論首先是由美國哥倫比亞大學的Wiesner于1970年提出的。之后美國IBM公司的Bennett和加拿大Montreal大學的Brassard于1984年提出了第一個量子密碼術協議。它是基于兩組共軛基，采用四個非正交態編碼的量子密鑰分配方案，現稱之為BB84協議。英國的Ekert于1991年提出用雙量子糾纏態來實現量子密碼術，稱為E91協議。1992年，Bennett又提出一種比BB84協議簡單、但量子效率減半的協議。它采用任何兩個非正交態編碼，稱為B92協議。1995年，以色列的Goldenberg和Vaidman又提出基于正交態的量子密碼術協議，其絕對安全性由正交態的量子不可克隆原理來保證。1998年，意大利的Bruss提出了六態協議。隨著量子信息的進一步發展，越來越多的安全協議被提出來。
目前，科學家們在量子通信的實驗研究方面進行了大量的工作，在自由空間中通信距離達到了100km以上。1989年，Bennett等人完成了第一個基于BB84協議自由空間量子密鑰分配演示性實驗。1996年，美國Johns Hopkins大學的Jacobs等人采用BB84協議，用He-Ne激光器和電光調制器產生光脈沖，成功地在白天室外條件下傳輸單光子，自由空間光程為75m，誤碼率為2％，比特率為1KHz。1994年，美國Los Alamos國家實驗室(LANL)的兩位研究人員Hughes和Nordholt先進行了自由空間室內光路205m的量子密鑰分配實驗。隨后，他們采用B92協議，進行了夜晚條件下室外光路950m和白天室外光路500m的量子密鑰分配實驗，誤碼率分別為1.5％和1.6％。后來，他們又進行了1.6km自由空間量子密鑰分配實驗。該實驗是在白天室外條件下，采用B92協議，平均誤碼率為5.3％。2002年，他們進行了白天和夜晚大氣光路10km的自由空間量子密鑰分配實驗。該實驗采用BB84協議，發射機脈沖重復率為1MHz，密鑰率約為600Hz。發射機Alice位于Los Alamos的Pajarito山，海拔2760m；接收機Bob位于Los Alamos國家實驗室附近，海拔2153m。
在歐洲，英國的QinetiQ于2001年進行了夜晚室外1.9km的自由空間量子密鑰分配實驗。該實驗采用BB84協議，發射機脈沖重復率為10MHz，光損耗大于20dB。2002年，德國Ludwig-Maximilian大學、Max-Planck量子光學學院和英國的QinetiQ合作進行了夜晚室外23.4km的自由空間量子密鑰分配實驗。該實驗采用BB84協議，發射機脈沖重復率為10MHz，光損耗約為18dB。2006年，德國的Ludwig-Maximilian大學和Max-Planck量子光學學院進行了夜晚城市鏈路480m的自由空間量子密鑰分配實驗。該實驗采用BB84協議，發射機脈沖重復率為10MHz，單光子源采用平均光子數為0.1的高度衰減激光脈沖，經過篩選的平均密鑰率大于50Kbit/s，量子誤碼率為3％-5％。該實驗系統可以連續工作12個小時以上，實驗目的是建立一種穩定的城市鏈路量子密鑰分配系統。2006年9月，德國的Ludwig-Maximilian大學、Max-Planck量子光學學院、奧地利的Vienna大學、歐洲空間局、意大利的Padova大學和英國的Bristol大學合作進行了夜晚室外144km的自由空間量子密鑰分配實驗。發射機位于La Palma的Canary島(海拔2400m)，接收機位于Tenerife的光學地面站(OGS)(海拔2400m)，Richey-Chretien/Coude望遠鏡口徑為1m。該實驗采用BB84協議，發射機脈沖重復率為10MHz，光損耗約為35dB。單光子源采用弱相干脈沖，波長為850nm，帶寬為1.5nm。為了保證量子密鑰分配的安全性，實驗采用了誘騙態分析。鏈路的建立采用雙向主動望遠鏡跟蹤系統，分別由兩個步進電機和CCD組成。信標光波長為532nm，跟蹤系統帶寬為1Hz。閉環跟蹤系統控制望遠鏡的瞄準方向以補償慢光束漂移。澳大利亞Canberra大學于1999年采用B92協議進行了自由空間量子密鑰分配的實驗室演示實驗，原始密鑰比特率為50bps，量子誤碼率低于3％。2000年，又進行了白天室外50m的自由空間量子密鑰分配實驗。原始量子比特率為幾百bps，量子誤碼率低于1％。此外，法國的Alleaume等人基于BB84協議在兩棟樓之間進行了夜晚自由空間30m的量子密鑰分配實驗。
英國國防研究部于1993年首先在光纖中用相位編碼的方式實現了BB84方案，光纖傳輸長度達到了10公里。到1995年，他們的實驗在光纖中的傳輸距離達到了30公里。瑞士日內瓦大學在1993年用偏振的光子實現了BB84方案，他們使用的光子波長為1.3μm，在光纖中的傳輸距離為1.1公里，誤碼率僅為0.54％，并于1995年在日內瓦湖底鋪設的23公里長的民用光通信光纜中進行了實地表演，誤碼率為3.4％。1997年，他們利用法拉第鏡抑制了光纖中的雙折射等影響傳輸距離的一些主要因素，同時使使用的方便性大大提高，被稱為“即插即用”的量子密鑰分配方案。2002年，他們又用“即插即用”方案在光纖中成功地進行了67公里的量子密碼傳輸。國外量子通信最新的研究進展已經實現了光纖中的傳輸距離122公里，而國內中國科大的研究小組已經實現了超過150公里的密碼通信，2007年，清華的研究小組實現了102公里的誘騙態量子通信。
下面我們對發明中涉及到的一些基本概念進行介紹。
1.量子比特。在量子信息理論中，量子信息的基本單位是量子比特(qubit)。一個qubit是一個雙態量子系統，這里雙態是指兩個線性獨立態，對于半自旋粒子系統(如電子)，這兩個獨立態常記為|0〉和|1〉(|0〉表示自旋向上態，|1〉表示自旋向下態)。在量子信息學中，用作量子位物理實現的另一個重要雙態系統就是光子。雙態量子系統不僅可以處于量子態|0〉或|1〉，還可以處在疊加態
或者如果對量子疊加態進行測量，則可能得到量子態|0〉，也可能得到量子態|1〉，且兩者的幾率是相等的。
2.
基和
基的測量。設我們用方解石來區分水平與垂直方向偏振的光子，如圖1所示。圖1(a)表示沿水平方向偏振的光子垂直方解石表面入射通過方解石后傳播方向不變。圖1(b)表示沿垂直方向偏振的光子垂直方解石表面入射通過方解石后傳播方向發生偏轉，即出射光子相對于入射的光子在傳播方向上發生一定的向下平移。圖1(c)表示斜向45°方向偏振的光子垂直方解石表面入射通過方解石后，光子的傳播方向可能發生偏轉，也可能不發生偏轉，二者的發生幾率各占50％。由于圖1所示放置的方解石對于水平和垂直偏振方向的光子通過后方向是否發生偏轉是完全確定的，即水平偏振不偏轉，垂直偏振發生偏轉，我們將這樣的測量裝置稱為水平垂直測量基，簡稱為水平垂直基，用符號
標識，簡記為
基。如果我們把方解石沿光子水平偏振方向和傳播方向組成的平面旋轉45°，這樣的裝置我們稱之為45°與135°基，用符號
標識，簡記為
基。因為我們用
基去測量45°或135°方向偏振的光子可以得到一個完全確定的結果，即45°方向偏振的光子通過后不發生偏轉，135°方向偏振的光子通過后發生偏轉。用
基去測量45°或135°方向偏振的光子，以及用
基去測量水平或垂直方向偏振的光子均無法事先得到確定的結果，即是否偏轉是完全隨機的。
3.糾纏態。在量子力學中，由多個子系統組成的復合系統的一個純態(即用一個態矢量表示的量子態)如果不能寫成兩個子系統的直積態(即兩子系統彼此獨立、無相互作用項)，那么這個態就稱為糾纏態。例如，在量子信息中常見的基于兩粒子糾纏的四種貝爾基態(Bellstates，或Bell bases)用量子力學語言表示如下 這四種量子態就是典型的兩粒子糾纏態(最大糾纏態)。其中，下指標A和B分別表示糾纏的一對粒子A和B，例如，兩個糾纏的光子、兩個糾纏的電子、兩個糾纏的原子或兩個糾纏的原子核等。|0〉和|1〉是二能級體系的兩個狀態，如光子的極化(即偏振)、電子或原子核的自旋、原子的兩個能級等，用矩陣語言描述為 實際上，這四個貝爾基態的任何一個態都是兩粒子直積態的疊加態，如|ψ-〉AB是直積態|0〉A1〉B和|1〉A|0〉B的疊加態，|ψ+〉AB也是直積態|0〉A1〉B和|1〉A|0〉B的疊加態，兩個疊加態的差異在于相位不同，即公式中的正負號；|φ-〉AB和|φ+〉AB都是直積態|0〉A|0〉B和|1〉A|1〉B的疊加態，差異也是相位不同。
處于糾纏態的粒子之間具有很好的相干性和非局域性。如果我們對態中的A光子進行測量，根據量子力學原理，每一次得到的測量結果是確定的，但并不唯一，即每一次的測量結果或者是|0〉或者是|1〉，且兩種結果以相等的幾率出現。如果我們在測量完A光子的量子態之后再去測量B光子(在A和B光子維持相干時間內，即退相干前進行測量)，我們會發現對這兩個光子量子態測量的結果具有很好的相干性，即如果對A光子測量的結果為|0〉，則B光子的測量結果必然為|1〉；同樣，如果對A光子測量的結果為|1〉，則B光子的測量結果必然為|0〉。用量子力學的語言描述為對處于糾纏態的AB光子對中的A光子進行測量，如果得到的測量結果為|0〉A，則原來的由兩光子組成的復合體系的量子態(或稱波函數)塌縮到直積態|0〉A|1〉B態，此時無論我們是否測量B光子，其量子態必然為|1〉B；同理，如果對A光子測量得到的測量結果為|1〉A，則原來的由兩光子組成的復合體系的量子態(或稱波函數)塌縮到|1〉A|0〉B態，此時無論我們是否測量B光子，其量子態必然為|0〉B。根據量子力學原理，這種相干性是不隨空間距離的長短而改變，即使這兩個糾纏光子一個在地球上，另一個在月球上，其相干性依然存在；即只要它們存在著糾纏，它們的測量結果的相干性就會存在，這就是量子力學中的非局域性。
4.么正操作。對于處于某一糾纏態的粒子體系，如果對其中一個粒子做局域操作(即對糾纏粒子組成的復合體系的一部分做操作)，只有對體系的所有粒子做聯合測量才能讀出操作信息。我們以量子力學中對糾纏的兩粒子體系常用的四個局域么正操作(簡稱么正操作)為例加以說明如下。
量子力學中常用的由兩粒子組成的糾纏體系的量子態為四個貝爾基態(Bellstate)，表示式見公式(1)～(4)。四個貝爾基之間可以通過量子力學中的四個局域么正操作來相互轉化。所述的四個局域操作可分別表示如下 其中，I2是2×2的單位矩陣，σx，σy，σz是量子力學中的泡利矩陣(Pauli matrices)。根據量子力學原理，四個么正操作U0～U3作用在四個貝爾基|ψ+〉、|ψ-〉、|φ+〉和|φ-〉上得到的結果分別是 U0|ψ±〉＝|ψ±〉，U0|φ±〉＝|φ±〉； (9) U1|ψ±＝|φ±〉，U1|φ±〉＝|ψ±〉； (10)
即U0作用在四個貝爾基上不改變它們的狀態；U1作用在四個貝爾基上使得B粒子對應的狀態由原來的|0〉變到|1〉，由原來的|1〉變到|0〉，即翻轉B粒子原來的狀態；U2的作用不僅翻轉B粒子原來的狀態，而且還改變A和B粒子之間的相位，即原來相位為正的狀態變為相位為負的狀態，相位為負的狀態變為相位為正的狀態，實現相位翻轉；U3的作用只是實現相位翻轉。
由于I2是單位矩陣，它的作用相當于保持一個粒子的量子態不變，如A粒子的狀態不變，那么四個么正操作U0～U3只是對B粒子做了局域操作，但結果卻改變了AB粒子組成的體系的量子態。也就是說，只要對B粒子做局域操作，無論A粒子處于什么位置，哪怕是在月球上，處于糾纏的AB粒子體系的量子態都會發生改變。因此在量子密碼通信中，通信雙方可以通過對手中的一個粒子做局域操作來改變整個糾纏粒子體系的量子態。同時，如果對AB糾纏粒子體系中的一個粒子，如B粒子進行測量，無論原來AB糾纏粒子體系處于四個貝爾基態中的哪一個量子態，B粒子都等幾率地處于|0〉和|1〉，即各有50％的幾率。也就是說，對其中一個粒子的量子態進行測量，得不到有關糾纏粒子體系量子態的信息，也就讀不出么正操作的信息。
這四個么正操作在目前比較成熟的量子密碼通信中比較經常使用，目前的技術也不難實現。譬如對光子而言，可以通過選擇適當的光學器件調節光路來實現，詳細內容見參考文獻Physical Review A期刊2001年63卷032303頁。
接下來我們對于量子直接安全通信做簡單的介紹，詳細內容見參考文獻Physical ReviewA期刊2003年68卷042317頁。
量子安全直接通信以量子態為信息載體，利用量子力學的一些原理和特性來傳輸和保護信息，將信息直接發送給接收端，除進行安全檢測外，不需要經典通信。分步傳輸量子安全直接通信方法中，信息發送方Alice制備n個糾纏光子對，處于量子態依次讓每一對糾纏光子對的兩個光子分別經上下兩個量子信道傳輸，然后Alice將這n個糾纏光子對分成兩個序列，即從每一糾纏光子對中挑出一個光子，將所有挑出來的光子組成一個光子序列SA在上量子信道中傳輸，而上述每一糾纏光子對中的另一個光子就可以組成另一個光子序列SB在下量子信道中傳輸。Alice將光子序列SA發送給信息發送方Bob，Bob接收到光子序列SA后，并根據所接收的光子序列SA及由Bob預先制備好的n個糾纏光子對，做量子糾纏轉移(詳細內容見參考文獻Physical Review Letters.期刊1993年70卷1895頁)，即依次對SA中的n個位置上的光子做量子糾纏轉移。如果量子糾纏轉移成功，說明在對應的位置Bob確實收到了Alice發來的光子，從而避免竊聽者Eve的不軌行為掩蓋在量子信道的噪聲中。在量子糾纏轉移后，Bob得到一個由所有已取得量子糾纏轉移成功的光子組成的光子序列SA′，然后向Alice發送信息，告知Alice他對哪些位置的光子做的量子糾纏轉移是成功的。Alice根據Bob告知的信息保留對應的光子，即得到了一個與光子序列SA′對應的光子序列SB′。然后Bob從SA′中隨機地抽取適量的光子，并對其進行單光子測量。Bob隨機地選擇兩組測量基(即
基或
基)中的一種來對每一個抽樣光子進行測量并記錄測量基信息以及測量結果。測量完后，Bob用經典信道告訴Alice他在SA′中對哪一些光子進行了單光子測量并告知相應的測量基信息及其測量結果；Alice根據Bob所告知的所有信息，對與所述Bob的抽樣光子相對應，即屬于同一糾纏光子對的光子進行單光子測量，并記錄測量結果；Alice將自己的測量結果與Bob所告知的測量結果進行比對并做出錯率分析；出錯率的分析原理大體如下在有Eve竊聽的情況下，假設Eve以p的幾率隨機地選擇兩組基進行竊聽，那么在Bob與Alice使用相同的基得到的結果S中就會有
的幾率出錯。如果Eve全程竊聽Alice與Bob的量子密鑰傳輸過程，那么就會引起25％的出錯率(加上噪聲等其它因素出錯率超過25％)。如果Eve以適當的幾率p去竊聽，只要p不是很小，則她的竊聽引起的出錯率就不可忽視，這樣在出錯率分析中就不難發現。如果p很小，那么Alice和Bob泄漏給Eve的密鑰信息也很少，這時Alice和Bob通過公知的機密性放大技術將泄漏的信息縮少，甚至可以減少到零。如果出錯率比預先設定的安全閾值低，則表明光子序列SA的傳輸是安全的，即可以認為沒有竊聽者監視量子信道；否則，Alice和Bob放棄已經得到的傳輸結果。
在確保SA序列安全傳輸的情況下，Alice根據自己所需傳輸的信息，每兩比特位來對應地選擇四個么正操作U0～U3(例如，00，01，10或11分別對應所選擇的么正操作U0、U1、U2或U3)中的一個來對SB″序列(即在SB′中扣除用于安全性檢測后的所有光子)中的每一個光子依次做相應的么正操作，從而完成量子態攜帶所需傳輸信息的過程。隨后，Alice將編碼后的SB″序列發送給Bob，Bob對SA″序列和與之對應的SB″序列(即在SB′中扣除用于安全性檢測后的所有光子)中對應的糾纏光子對做貝爾基聯合測量，從而讀出Alice所做的操作信息，即Alice對光子序列SB″中的每一個光子分別采用了什么局域么正操作，從而得到Alice所需傳輸的信息。
為了使得通信雙方的結果具有更好的一致性和方便做最后的糾錯處理，Alice在序列SB′中隨機地選擇一部分光子并對其進行隨機的么正操作，該操作不含任何有效信息，以此作為最終出錯率分析的抽樣樣品。這樣就相當于做第二次安全性分析。處理的方法有兩種(1).在Bob對兩個光子序列對應的所有糾纏對做完貝爾基聯合測量后，Alice告訴Bob哪一些光子對是用作抽樣分析的，其它的糾纏光子對即是攜帶有效信息的信息載體；Bob分析出錯率，并根據出錯率判斷是否安全。(2).在Bob接收到Alice發送的光子序列后，Alice告訴Bob哪一些糾纏光子對是用來做抽樣的；然后Bob對抽樣的糾纏對中的兩個光子都做單光子測量，并做安全性分析，同時對其它糾纏對做貝爾基聯合測量。
總之，作為安全的量子直接通信，應該滿足兩個基本的條件一、通信的接收方Bob在接收到量子態并進行測量后即可直接讀出其中的有效信息(特別是機密信息)，也就是說原理上不需要輔助的經典信息來確定由量子態得到的結果；二、量子態所攜帶的有效信息只有接收方Bob能夠準確讀出，對其他人如竊聽者Eve不能讀出有效信息，即Eve測量最后的量子態只能得到隨機的結果，無任何有用信息。
在現有條件和背景下，量子通信面臨著一個很大的障礙，就是實際條件中，不存在著無損耗的量子信道。也就是光子在光纖中傳輸不可避免的要面臨損耗的問題，這大大的限制了通信的實際距離。為了克服長距離量子通信的困難，人們提出了一些對量子通信節點的設計方案，目前認為比較實用的有兩種一種是量子重復器(quantum repeater)方案，在通信雙方(通常我們定義為Alice和Bob)采用量子糾纏轉移的方法通過每個節點的貝爾態測量，最終在通信雙方之間建立一個糾纏信道，從而在這個信道的基礎上完成長距離的量子通信；另外一種是量子接力(quantum relay)方案，這種方法是在通信雙方之間有一方接力者，他可以完成Alice的傳遞粒子和另外一對糾纏粒子的遠程傳態，將Alice粒子的狀態遠程傳遞給Bob，多個這樣的節點也可以實現長距離的量子通信。
發明內容
本發明的目的在于提供一種任意長距離的量子通信的方法。基于量子態注入增強的量子通信方法主要是利用已有的絕對安全的量子通信方案，通過將長距離分成N段短距離后，在每個節點處的合法用戶依次進行量子直接安全通信，最終將Alice欲發給最遠端Bob的信息，成功發送過去，最終實現最遠兩端用戶的量子通信。本發明提出了一種基于中繼的量子密碼通信方法。在非理想量子信道-光纖通信條件下，能夠克服單光子在信道中指數衰減損失造成的傳輸距離短的缺陷。我們的方法可以通過擴展節點數來增加傳輸的距離，在安全性上等價于量子直接通信。
作為安全的量子直接通信，要求通信的接收方在接收到量子態并進行測量后即可直接讀出其中的機密信息，也就是說原理上不需要輔助的經典信息來確定由量子態得到的結果；另外是量子態所攜帶的機密信息只有接收方能夠準確讀出，對其他人如竊聽者Eve不能讀出機密信息，即Eve測量最后的量子態只能得到隨機的結果，無任何有用信息。通常的方法是對處于某一糾纏態的粒子體系的其中一個粒子做局域操作(即對糾纏粒子組成的復合體系的一部分做操作)來進行信息編碼，另外一方只有對體系的所有粒子做聯合測量才能讀出操作信息。因為是在第一步安全檢測完成后，Alice才對手中的光子進行隨機的操作，進行信息的編碼，因此上，Eve不會得到信息，這也進一步的保證了，各個節點將信息復制然后通過直接安全通信的方式傳輸到下一個用戶過程中的安全性。
與量子重復器和量子接力方案不同，本發明是在現有的實際條件的前提下，就可以完成的。對于量子存儲沒有提出要求。發明亦可不用量子糾纏就可以實現長距離的量子通信，此發明可利用單光子源實現遠距離的量子通信。(這一點我們會在后續的發明工作中提出) 光子在光纖中的傳輸率t＝10-αL/10，α是衰減系數，L是傳輸距離。光子的傳輸率與距離是指疏衰減的。
此發明，通過將長距離分成相對較短的距離后，在連續兩用戶之間的光子的傳輸率將會是原有傳輸率的t1/N，N是被分的段數。這樣光子在兩個相近用戶間的傳輸率會大大的增加，量子效率增加。通過量子態的注入增強，使得傳輸一比特信息所需要的光子數與距離不再是指數關系，而是多項式關系，大大減少了傳輸相同信息所用的資源。并且通過節點數的增加，可以使得傳輸更遠的距離。對于現在遠距離的量子通信提出了一種很好的解決方案，這對于現在國家內部，以及國家與國家之間的量子網絡通信提出了可行的途徑，將會在不遠的將來得到廣泛的應用。
本發明的特征在于 所述方法依次含有以下步驟 步驟(1)把信息發送方Alice和信息接收方Bob之間的距離分成N段相等的短距離，形成N-1個節點，在每個節點的合法用戶處設置與接收方相同的貝爾基聯合測量裝置以及與發送方相同的產生糾纏光子對的裝置； 步驟(2)信息發送方Alice把所述N-1個節點中的沿著發送方向的第一個節點IPI1作為接收方，按照以下步驟進行第一步量子安全直接通信，其步驟如下 步驟(2.1)所述發送方Alice利用所述的產生糾纏光子對的裝置制備n對EPR糾纏光子對，每個糾纏光子對處在糾纏態然后按照上下通道分離方法把這組糾纏光子對分成兩個光子序列SA和SB，并把所述光子序列SA作為檢測序列發送給接收方IPI1； 步驟(2.2)當信息損失率為η時，所述第一個節點IPI1接收到的光子概率1-η；IPI1根據所接收的光子序列SA及由IPI1預先制備好的n個糾纏光子對，做量子糾纏轉移，即依次對SA中的任意n個位置上的光子做量子糾纏轉移；如果量子糾纏轉移成功，說明在對應的位置IPI1確實收到了Alice發來的光子，從而避免竊聽者Eve的不軌行為掩蓋在量子信道的噪聲中；在量子糾纏轉移后，IPI1得到一個由所有已取得量子糾纏轉移成功的光子組成的光子序列SA′，然后向Alice發送信息，告知Alice他對哪些位置的光子做的量子糾纏轉移是成功的；Alice根據IPI1告知的信息保留對應的光子，即得到了一個與光子序列SA′對應的光子序列SB′； 步驟(2.3)所述接收方IPI1從兩組測量基
基或
基中任選一組測量基對收到的光子序列SA′中任意選擇部分光子進行單光子測量，并記錄測量信息，所測量的那部分光子以及選擇的測量基和測量結果告知發送方Alice； 步驟(2.4)所述發送方Alice在SB′中用相同于IPI1的測量基對與IPI1的抽樣對應的光子，即原本屬于同一糾纏光子對，進行單光子測量，并記錄測量結果，所述發送方Alice對比自己的測量結果與所述接收方IPI1告知的測量結果，并作出錯率分析，若出錯率低于設定的安全閾值，則表明所述光子序列SA的傳輸是安全的，否則所述發送方Alice和接收方IPI1放棄已經得到的傳輸結果； 步驟(2.5)在確認傳輸安全下，所述發送方根據自己要傳輸的機密信息，每兩個比特位對應地選擇四個幺正操作中的一個來對所述光子序列SB″每一個光子依次作幺正操作，所說的SB″就是SB′中扣除用于安全性檢測后剩余的光子序列，完成量子態攜帶所述機密信息的過程，然后，把編碼后的所述光子序列SB″發送給所述接收方IPI1，傳輸率為n(1-η)2； 步驟(2.6)所述接收方IPI1把收到的所述光子序列SB″和所述SA′中與該SB″對應的SA″序列中對應的糾纏光子對做貝爾基聯合測量，從而讀出所述發送方Alice所做的操作信息，從而得到所述發送方Alice所需傳輸的機密信息； 步驟(3)所述發送方Alice和接收方IPI1按以下步驟作第二次安全性分析 步驟(3.1)所述發送方Alice在光子序列SB′中隨機地選擇一部分光子并對這部分光子進行隨機的幺正操作，以此作為最終要分析的抽樣樣品，然后把說述的經過幺正操作的SB′送往所述接收方IPI1； 步驟(3.2)所述接收方IPI1對步驟(2.1)中收到的第一個光子序列和所述的新的光子序列SB′中對應的所有糾纏對做貝爾基測量； 步驟(3.3)所述發送方Alice告知接收方IPI1，哪一些光子對是用作抽樣分析的，其它的糾纏光子對即是攜帶有效信息的信息載體；IPI1分析出錯率，并根據出錯率判斷是否安全； 步驟(4)所述IPI1作為發送方，重新制備糾纏光子對，按照步驟(2)~步驟(3)所述方法與下一個合法的節點用戶IPI2通信，將Alice發送的機密信息，發送給下一個合法的節點用戶； 步驟(5)經過步驟(2)~步驟(4)對所有節點依次進行直接安全通信，完成Alice與Bob間的長距離通信。
此發明在擴大傳輸距離的同時，還大大的節約了傳輸相同信息量所需要的資源。在節點數足夠大的情況下，所需光子的數量與傳輸距離是多項式關系而不再是指數關系。
圖1.不同偏振方向的光子通過方解石得到不同結果示意圖(a).水平偏振的光子直接通過方解石晶體；(b).垂直偏振的光子通過方解石晶體后要發生偏轉；(c).斜偏振(45°)的光子通過方解石后可能發生偏轉，也可能不發生偏轉。
圖2、基于量子態注入增強的量子通信方法的原理示意圖；在通信雙方Alice和Bob之間，每一個IPI是一個節點。通信開始時，Alice和IPI1完成一次量子安全直接通信，接下來的步驟是IPI1和IPI2……，最后是IPIn和Bob完成安全通信。每兩個節點之間的距離滿足光子的最佳傳輸距離。
圖3、通信雙方與各個節點的實驗裝置圖即糾纏光子對產生裝置的原理示意圖；本發明中使用的量子信號源是糾纏粒子，如糾纏光子對。在當今的量子光學中，產生糾纏光子對已經是比較成熟的技術。在已有的量子密碼通信中，使用糾纏光子對做信號源的實驗已經被國際上很多研究組實現了。目前，通常是采用量子光學中的參數下轉換來產生糾纏光子對，即將一定頻率的光子通過一個特殊的晶體產生兩個處于糾纏態的光子。我國福建生產的紫外倍頻材料偏硼酸鋇低溫相(BBO)單晶體就是一種很好的產生糾纏光子對的晶體，目前在國際上使用的大部分BBO晶體是我國福建生產的。
圖4、一種貝爾基聯合測量裝置原理示意圖；1是激光器，2是濾光片，3是紫外倍頻材料偏硼酸鋇低溫相(BBO)單晶體，4是光纖。貝爾基聯合測量可以采用美國Maryland大學設計的如圖6所示的裝置，其中5是參數上轉換晶體，5a和5b分別代表I型和II型；6是半反射半投射鏡；7a、7b、7c、7d分別代表單光子探測器
和
8a和8b代表極化投影片，晶體中的標記⊙和
代表晶體的晶軸；其原理是通過四個探測器的不同響應方式來判斷是哪一個貝爾基態，詳細內容見參考文獻Physical Review Letters期刊2001年86卷1370頁。
圖5、量子直接安全通信的實現流程圖。
圖6、基于量子態注入增強的量子通信方法實現流程圖 圖7、隨著注入節點的增加，成碼率的變化曲線。
具體實施例方式 本發明主要采用將通信雙方之間的長距離分成N段短距離，在每個節點處設有合法的用戶，并且每個合法用戶具有和第一發送方相同的裝置和資源，通過對接收到的光子的檢測和糾纏光子對的貝爾基聯合測量，可以獲得相應的信息，并將信息復制，實現與下一個合法用戶的通信，直到實現最遠兩端用戶之間的量子通信。
具體實施步驟如下 首先，我們將Alice和Bob之間的距離分成N段短距離，因此共N-1個節點。如附圖2所示。基于量子態注入增強的量子通信方法在每個節點上設置與通信雙方相同的裝置，裝置如附圖3所示。
(1)在通信過程中，Alice和IPI1進行第一步的量子安全直接通信。Alice制備n對EPR光子對，每個EPR糾纏光子對處在糾纏態，然后將這一組糾纏光子對分成兩個序列，即從每一糾纏對中挑出一個光子組成光子序列SA，另一個光子就可以組成另一個光子序列SB。并且將檢測序列對SA發送給IPI1。在考慮信道損失率為η的情況下，IPI1接收到的光子概率為(1-η)。
(2)IPI1根據所接收的光子序列SA及由IPI1預先制備好的n個糾纏光子對，做量子糾纏轉移，即依次對SA中的n個位置上的光子做量子糾纏轉移。如果量子糾纏轉移成功，說明在對應的位置IPI1確實收到了Alice發來的光子，從而避免竊聽者Eve的不軌行為掩蓋在量子信道的噪聲中。在量子糾纏轉移后，IPI1得到一個由所有已取得量子糾纏轉移成功的光子組成的光子序列SA′，然后向Alice發送信息，告知Alice他對哪些位置的光子做的量子糾纏轉移是成功的。Alice根據IPI1告知的信息保留對應的光子，即得到了一個與光子序列SA′對應的光子序列SB′。
IPI1隨機的選擇非對易測量基(即
基或
基)對接收到的部分光子進行檢測(如前所述)，看是否有Eve竊聽。測量完后，IPI1告訴Alice她在SA′中對哪一些光子進行了單光子測量并告知相應的測量基和測量結果，IPI1在SB′中用相同于IPI1的測量基對與IPI1的抽樣對應的光子(即原本屬于同一糾纏光子對)進行單光子測量，并記錄測量結果。Alice比對自己的測量結果與IPI1告知的測量結果并做出錯率分析。如果出錯率比安全閾值低，則表明光子序列SA的傳輸是安全的，即可以認為沒有竊聽者監視量子信道，否則Alice和IPI1放棄已經得到的傳輸結果。接著要通過糾纏轉換判斷具體接收到了哪個光子。Alice對自己手中的光子序列進行編碼。
(3)Alice根據自己要傳輸的機密信息每兩比特位來對應地選擇四個么正操作U0～U3中的一個來對SB′序列的光子依次做相應的么正操作，完成量子態攜帶機密信息的過程。這里的U0～U3對應不同的經典信息，用矩陣表示為 根據量子力學原理，四個么正操作U0～U3作用在四個貝爾基|ψ+〉、|ψ-〉、|φ+〉和|φ-〉上得到的結果分別是 U0|ψ±〉＝|ψ±〉，U0|φ±〉＝|φ±〉； (17) U1|ψ±〉＝|φ±〉，U1|φ±〉＝|ψ±〉； (18)
(4)Alice將剩余的光子對序列中與IPI1接收到的光子對應的那部分光子發送給IPI1，考慮到信道損失，EPR光子對能完全傳輸到IPI1概率為(1-η)2，因此上IPI1僅能接收到n(1-η)2EPR光子對。IPI1通過貝爾基聯合測量(如圖4)，得出糾纏光子對所處的狀態的信息，從而得到Alice要傳輸的機密信息。Alice在SB″序列(即在SB′中扣除用于第一步安全性檢測后的所有光子)序列中隨機的選擇一部分光子并對其進行隨機的么正操作(不含任何有用信息)，以此作為最終出錯率分析的抽樣樣品，這樣就相當于做第二次安全性分析。具體方法是在IPI1對兩個光子序列對應的所有糾纏對做完貝爾基測量后，Alice告訴IPI1哪一些光子對是用作抽樣分析的，其它的糾纏光子對即是攜帶有用信息的信息載體；IPI1分析出錯率，并根據出錯率判斷是否安全。同時對其它糾纏對做貝爾基測量。整個量子直接安全通信的流程圖如圖5所示。
其次，IPI1利用與Alice相同的裝置重新制備EPR糾纏光子對，利用直接安全通信的方法，重復1、2、3、4步驟，將自己獲得的信息重新編碼發送給下一個合法的節點用戶IPI2。
最后，經過所有節點的依次直接安全通信，將會成功的將Alice預發給Bob的信息成功的被Bob探測到，從而實現了Alice與Bob之間的安全的量子通信。需要強調的是，在量子態注入的量子通信方法中，對于每個節點的用戶來說，我們要求他們必須是合法的。因為在傳輸過程中，每個用戶是可以知道Alice預傳輸給Bob的信息。
整個發明的操作過程如圖6所示。
總之，通過量子態注入增強的方法，我們可以實現遠距離的通信雙方之間的量子通信，解決了光子隨距離指數衰減的困難，并與之比較，傳輸相同信息更節約資源。
權利要求
1、用量子態注入增強與量子直接安全通信的遠距離通信方法，其特征在于，所述方法依次含有以下步驟
步驟(1)把信息發送方Alice和信息接收方Bob之間的距離分成N段相等的短距離，形成N-1個節點，在每個節點的合法用戶處設置與接收方相同的貝爾基聯合測量裝置以及與發送方相同的產生糾纏光子對的裝置；
步驟(2)信息發送方Alice把所述N-1個節點中的沿著發送方向的第一個節點IPI1作為接收方，按照以下步驟進行第一步量子安全直接通信，其步驟如下
步驟(2.1)所述發送方Alice利用所述的產生糾纏光子對的裝置制備n對EPR糾纏光子對，每個糾纏光子對處在糾纏態然后按照上下通道分離方法把這組糾纏光子對分成兩個光子序列SA和SB，并把所述光子序列SA作為檢測序列發送給接收方IPI1；
步驟(2.2)當信息損失率為η時，所述第一個節點IPI1接收到的光子概率1-η；IPI1根據所接收的光子序列SA及由IPI1預先制備好的n個糾纏光子對，做量子糾纏轉移，即依次對SA中的任意n個位置上的光子做量子糾纏轉移；如果量子糾纏轉移成功，說明在對應的位置IPI1確實收到了Alice發來的光子，從而避免竊聽者Eve的不軌行為掩蓋在量子信道的噪聲中；在量子糾纏轉移后，IPI1得到一個由所有已取得量子糾纏轉移成功的光子組成的光子序列SA′，然后向Alice發送信息，告知Alice他對哪些位置的光子做的量子糾纏轉移是成功的；Alice根據IPI1告知的信息保留對應的光子，即得到了一個與光子序列SA′對應的光子序列SB′；
步驟(2.3)所述接收方IPI1從兩組測量基
基或
基中任選一組測量基對收到的光子序列SA′中任意選擇部分光子進行單光子測量，并記錄測量信息，所測量的那部分光子以及選擇的測量基和測量結果告知發送方Alice；
步驟(2.4)所述發送方Alice在SB′中用相同于IPI1的測量基對與IPI1的抽樣對應的光子，即原本屬于同一糾纏光子對，進行單光子測量，并記錄測量結果，所述發送方Alice對比自己的測量結果與所述接收方IPI1告知的測量結果，并作出錯率分析，若出錯率低于設定的安全閾值，則表明所述光子序列SA的傳輸是安全的，否則所述發送方Alice和接收方IPI1放棄已經得到的傳輸結果；
步驟(2.5)在確認傳輸安全下，所述發送方根據自己要傳輸的機密信息，每兩個比特位對應地選擇四個幺正操作中的一個來對所述光子序列SB″每一個光子依次作幺正操作，所說的SB″就是SB′中扣除用于安全性檢測后剩余的光子序列，完成量子態攜帶所述機密信息的過程，然后，把編碼后的所述光子序列SB″發送給所述接收方IPI1，傳輸率為n(1-η)2；
步驟(2.6)所述接收方IPI1把收到的所述光子序列SB″和所述SA′中與該SB″對應的SA″序列中對應的糾纏光子對做貝爾基聯合測量，從而讀出所述發送方Alice所做的操作信息，從而得到所述發送方Alice所需傳輸的機密信息；
步驟(3)所述發送方Alice和接收方IPI1按以下步驟作第二次安全性分析
步驟(3.1)所述發送方Alice在光子序列SB′中隨機地選擇一部分光子并對這部分光子進行隨機的幺正操作，以此作為最終要分析的抽樣樣品，然后把說述的經過幺正操作的SB′送往所述接收方IPI1；
步驟(3.2)所述接收方IPI1對步驟(2.1)中收到的第一個光子序列和所述的新的光子序列SB′中對應的所有糾纏對做貝爾基測量；
步驟(3.3)所述發送方Alice告知接收方IPI1，哪一些光子對是用作抽樣分析的，其它的糾纏光子對即是攜帶有效信息的信息載體；IPI1分析出錯率，并根據出錯率判斷是否安全；
步驟(4)所述IPI1作為發送方，重新制備糾纏光子對，按照步驟(2)～步驟(3)所述方法與下一個合法的節點用戶IPI2通信，將Alice發送的機密信息，發送給下一個合法的節點用戶；
步驟(5)經過步驟(2)～步驟(4)對所有節點依次進行直接安全通信，完成Alice與Bob間的長距離通信。
全文摘要
用量子態注入增強與量子直接安全通信的遠距離通信方法屬于量子通信技術領域，其特征在于把發送方與接收方之間的長距離分成N段相等的短距離，形成N-1個合法用戶節點，在信息發送方、N-1個合法用戶節點上配置相同的產生糾纏光子對的裝置，在N-1個合法用戶節點上以及接收方配置相同的貝爾基聯合測量裝置后，便啟用接力的方法，先進行由發送方與第一個合法用戶節點符合所設定的容錯率的量子直接安全通信，確認傳輸安全后，再由第一個合法用戶節點制備糾纏光子對，按照所得的信息與第二個合法用戶節點進行量子直接安全通信，一直接力下去，到達接收方為止。本發明有擴大傳輸效率的目的，也大大節約了傳輸相同信息所需要的資源。
文檔編號H04L9/08GK101394269SQ20081011820
公開日2009年3月25日 申請日期2008年8月7日 優先權日2008年8月7日
發明者王婉瑩, 川 王, 龍桂魯 申請人:清華大學