集体噪音下容错的量子安全通信协议理论研究

Many existing quantum communication protocols are designed under ideal conditions, which do not consider the effects of channel noise in practical communications, so that the secret information transmitted has low fidelity and the eavesdropper may steal the secret beneath the mask of channel noise. Therefore, it is important to design quantum secure communication protocols and analyze the security under noisy conditions. The project prepares to design quantum secure communication protocols immune to collective noise. Low fidelity of secret information caused by collective noise can be resolved effectively by constructing a decoherence-free subspace (which is immune to the collective noise) and transmitting secret information in the subspace. Higher channel capacity can be reached in the collective noisy channel by using hyperentanglement particles in multiple degrees of freedom as quantum carriers and implementing super dense coding. By calculating the amount of information transmitted by each particle and comparing it with that in other protocols, the method in our study is proved to reach higher channel capacity. Identity authentication and eavesdropping detection are implemented simultaneously by mixing logical qubits to information sequence randomly or secretly and then transmitting. The logical qubits are immune to collective noise and converted from previously shared identity string between the communicating parties. Quantum secure communication protocols based on hyperentanglement in a decoherence-free subspace take a prominent advantage in implementing immunization to collective noise and reaching higher channel capacity.

现有许多量子通信协议在理想条件下设计，没有考虑实际通信中信道噪音的影响，容易造成机密信息传输失真，同时窃听者也可能在噪音掩盖下窃听秘密信息，因此设计出有噪音条件下的量子安全通信协议并对协议进行安全性分析和证明具有重要意义。本项目拟设计出对集体噪音免疫的量子安全通信协议。针对集体噪音引起的量子通信中被交换信息不能保真问题，采用构造对集体噪音免疫的消相干自由子空间并在该子空间中通信的方法，保证被交换信息的准确性；针对噪音下信道容量不高问题，采用超纠缠态作为量子载体进行密集编码，计算每粒子传输的信息量，通过对比其他协议的该信息量，证明本项目方法达到较高信道容量；针对通信中身份认证问题，采用双方事先共享身份字符串，并将其转换为对集体噪音免疫的逻辑量子态，随机地或秘密地混杂在信息序列中传送，既进行身份认证又进行窃听检测，保证协议的安全性。本项目研究在实现对集体噪音免疫和达到较高信道容量具有突出优势。

该项目研究集体噪音环境下容错的量子安全通信协议，主要围绕着如何在集体噪音环境下，提高被交换信息的安全性和保真度，以及提高信道容量等几个方面展开。针对集体噪音引起的量子通信中被交换信息不能保真问题，进行了集体噪音环境下的量子安全通信协议研究及安全性分析，具体研究了集体噪音环境下以Bell态、三粒子GHZ态、三粒子W态、四粒子W态、五粒子簇态和六粒子纠缠态等作为载体的一步或两步量子安全通信协议，采用构造对集体噪音免疫的消相干自由子空间并在该空间中通信的方法，保证了被交换信息的准确性；针对噪音下信道容量不高问题，进行了集体噪音环境下基于超纠缠态的高容量量子安全通信协议研究及安全性分析，具体研究了集体噪音环境下以超纠缠Bell态、超纠缠GHZ态、超纠缠W态作为载体的一步或两步高容量量子安全通信协议及认证协议，采用超纠缠态作为量子载体进行密集编码，提高了信道容量；针对通信中身份认证问题，进行了集体噪音环境下量子安全通信中的身份认证研究及安全性分析，采用将身份字符串转换为对集体噪音免疫的逻辑量子态，随机地或秘密地混杂在信息序列中传送，既进行身份认证又进行窃听检测，保证协议的安全性。以上研究内容共发表SCI检索论文16篇；申请发明专利2项，目前处于实审阶段；培养硕士研究生5名，3名已毕业。研究噪音环境下基于超纠缠态的容错的高容量量子安全通信协议具有重要的科学意义：在量子物理科学方面，验证了量子力学相关理论，推动了量子技术的实用化和应用性研究；在信息科学方面，突破了传统信息技术的极限，使得信息科学与技术达到了现代最新水平，推动了信息安全相关领域的研究，丰富了密码学的研究方法，为保密通信研究提供了新的思路。