曹正文,馮曉毅,彭進業(yè),張爽浩

(1.西北工業(yè)大學 電子信息學院,陜西 西安　710072;2.西北大學 信息科學與技術(shù)學院,陜西 西安　710127)

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一種星型網(wǎng)絡(luò)中的雙向量子安全直接通信方案

曹正文1,2,馮曉毅1,彭進業(yè)2,張爽浩2

(1.西北工業(yè)大學 電子信息學院,陜西 西安710072;2.西北大學 信息科學與技術(shù)學院,陜西 西安710127)

基于三粒子GHZ態(tài)特點,結(jié)合其在星型網(wǎng)絡(luò)中的通信應(yīng)用,提出了一種雙向量子安全直接通信方案。通過對三粒子幺正變換的設(shè)計,可實現(xiàn)雙向通信中一對量子傳輸4 bit經(jīng)典信息,提高了通信效率。方案的安全性分析表明,利用GHZ態(tài)粒子間所選擇的幺正變換及測量相關(guān)性可抵御竊聽者的被動式和截獲重發(fā)式攻擊。該方案具有較高的通信效率，并且保障了信息的安全傳輸。

雙向量子安全直接通信;星型網(wǎng)絡(luò);GHZ態(tài);幺正變換

量子安全直接通信(Quantum secure direct communication,QSDC)是一種可以擺脫對密鑰算法的依賴,在通信方通過利用量子特性直接安全傳輸信息的方法。Beige在2002年提出了第一個QSDC之后[1],該技術(shù)的發(fā)展非常迅速,各種QSDC方案被提出:討論如何利用密集編碼實現(xiàn)QSDC[2];結(jié)合身份認證功能的QSDC[3];有噪信道中的QSDC方案[4];可控雙向QSDC[5-6];基于多粒子的QSDC[7-8]等。在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用方面,2007年鄧富國等提出了環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中的QSDC方案[9],2009年黃鵬等提出了一種基于PON的安全虛擬專用網(wǎng)方案[10]，2013年Gong提出了利用QSDC在PON中量子虛擬專用網(wǎng)絡(luò)方案[11],Sun等提出了可擴展的量子秘密共享網(wǎng)絡(luò),以滿足實際應(yīng)用中用戶數(shù)的增長需要[12], Cardillo等通過利用糾纏熵,在量子復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中研究了各節(jié)點信息共享問題[13]。

GHZ態(tài)具有較大的希爾伯特空間,可用于高信息容量的完美量子密集編碼,一些基于GHZ態(tài)的QSDC方案被提出。2008以來,Chen等利用GHZ粒子糾纏特性提出了QSDC及量子秘密分享[14-15];2011年Li提出了三粒子GHZ高效率檢測策略[16],并將此擴展到四粒子cluster 態(tài)[17]和五粒子cluster態(tài)[18],提高了檢測竊聽者Eve的概率。Man等研究了三粒子GHZ態(tài)基本特性及糾纏交換技術(shù),并將其用于三方QSDC協(xié)議中[19],高飛等對該協(xié)議的安全性進行了討論[20],其中存在75%的信息泄露。同樣,在一些基于GHZ態(tài)的QSDC方案中[21-23],存在Eve被動不采取任何竊聽措施,信息會無意識泄露的情況,竊聽者可以從合法通信者公開聲明中提取部分秘密信息。針對星型拓撲結(jié)構(gòu)是網(wǎng)絡(luò)的一種常用形式,本文提出了一種星型網(wǎng)絡(luò)中基于三粒子GHZ態(tài)的雙向QSDC協(xié)議,并分析Eve被動和截獲重發(fā)攻擊下協(xié)議的安全性。

1　GHZ態(tài)三粒子幺正變換

A，B和C三粒子GHZ態(tài)的Z基形式如下，

(1)

設(shè)每個粒子均處于二維Hilbert空間中,則三粒子總的量子態(tài)所處空間的總維數(shù)為8。式(1)中8個GHZ態(tài)之間正好是兩兩相互正交的,即滿足下式，

i,k∈[1,4], j, m∈[+,-]。

(2)

方案中的通信雙方將用以下4種幺正變換來編碼信息。

(3)

2　雙向QSDC協(xié)議

星型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示,服務(wù)器Alice是中心控制單元,可對任意兩個用戶之間的通信進行控制,假設(shè)兩個通信方為Bob1和Bob2。整個通信過程分為粒子制備分發(fā)階段和秘密信息雙向傳輸階段。

圖1　星型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)Fig.1　Star network topology

2.1粒子制備分發(fā)階段

Step2將SB序列通過量子信道分發(fā)給Bob1,Bob1收到SB后進行安全檢測:①Bob1隨機從SB序列中抽取一些粒子,隨機選擇Z基或X基對粒子進行測量,通過經(jīng)典信道將所采用的測量基及被測量粒子的所在位置傳給Alice。②Alice用相同測量基聯(lián)合測量對應(yīng)位置上的粒子A和C,然后將測量結(jié)果傳給Bob1。③Bob1對比自己與Alice的測量結(jié)果，如果出錯值大于所設(shè)置的閾值,則信道中有Eve,需終止通信,否則說明Bob1收到的SB可信。

Step3Alice將SC序列通過量子信道發(fā)送給Bob2,Bob2采用與Bob1類似的方式進行安全檢測。

表1　粒子A采用I2，σx幺正變換的情況

2.2秘密信息傳輸階段

設(shè)前面兩次檢測信道安全一共用了SA，SB和SC序列粒子數(shù)為k,余下的粒子數(shù)為s=n-k。Bob1和Bob2分別將秘密信息編碼在SB和SC序列中剩余的粒子上。

Step4Bob1根據(jù)要發(fā)送的經(jīng)典信息,結(jié)合表1,對SB序列中剩余的粒子進行相應(yīng)的幺正變換,實現(xiàn)對經(jīng)典信息的編碼。比如,經(jīng)典信息為00,Bob1應(yīng)該選擇I2操作。然后在SB中隨機插入誘騙光子se,發(fā)送給Alice。Bob2采用與Bob1相同的方法將秘密信息編碼在SC序列中剩余的粒子上,并發(fā)送給Alice。

Step5Alice接收到SB，SC,再進行一次安全檢測:① Bob1，Bob2通過經(jīng)典信道將SB、SC中se粒子的位置傳給Alice;Alice根據(jù)所得到的位置信息對se進行測量,并將測量結(jié)果及所用的測量基告知Bob1和Bob2。② Bob1，Bob2將se的初始狀態(tài)和Alice的測量結(jié)果進行比對。如果錯誤超出閾值,則放棄通信,否則繼續(xù)。文獻[24]研究了采用誘騙光子保障信息傳輸時的信道安全方法。

3　安全性分析

3.1被動攻擊

H(B1)=-P(00)log2P(00)-

P(01)log2P(01)-P(10)log2P(10)-

P(11)log2P(11)=

2(bit/符號)。

(4)

2(bit/符號)。

(5)

根據(jù)式(4)和(5),Bob1和Eve之間的互信息量為

I(B1,E)=H(B1)-H(B1|E)=

2-2=0(bit)。

(6)

同理,當Bob2為信息發(fā)送方時,Bob2和Eve之間的互信息量為

I(B2,E)=0(bit)。

(7)

由于通信方與竊聽者的行為是相互獨立的,由式(6)和(7)可知,互信息量等于0表示Eve不能得到Bob1和Bob2的任何信息?？梢?Eve利用經(jīng)典信道中的公開信息采取被動攻擊時,能得到的有用信息量為0 bit。本方案解決了文獻[30]中所提到的信息泄露問題。

3.2截獲重發(fā)攻擊

由于信息傳輸段的安全有誘騙光子技術(shù)保障,下面主要討論粒子分發(fā)階段的安全性,這一階段的安全檢測主要是利用GHZ態(tài)粒子間的糾纏性。安全檢測時,用到了Z基[|0〉,|1〉]和X基[|+〉,|-〉],Eve可能進行的攻擊有多種,下面針對截獲重發(fā)攻擊進行分析。

假設(shè)在Alice給Bob1分發(fā)SB序列時,Eve直接截獲了SB序列,并將假冒的SBE序列發(fā)給Bob1,但是Eve的這一行為是可以被檢測出來的。

設(shè)Bob1用X基測量結(jié)果為|+〉B。如果測量的粒子是Alice分發(fā)的粒子,根據(jù)GHZ態(tài)的特點,Alice聯(lián)合測量粒子A和C的結(jié)果一定是|+〉A(chǔ)|+〉C或|-〉A(chǔ)|-〉C。

如果Bob1測量的粒子是Eve重發(fā)的假冒粒子SBE,則Alice的粒子A，C與該粒子不存在糾纏關(guān)系,這樣,Alice測得的結(jié)果為|+〉A(chǔ)|+〉C，|-〉A(chǔ)|-〉C，|+〉A(chǔ)|-〉C和|-〉A(chǔ)|+〉C,后面兩種是出錯的結(jié)果?？梢?Eve的截獲重發(fā)操作會引入錯誤,Eve被檢測到的概率為

(8)

同理,當 Bob1選擇Z基的時,情況同上,Eve被檢測到的概率Pez=50%。綜上,Eve被檢測到的總概率為

(9)

同理可計算出在Alice發(fā)送序列給Bob2時,Eve被檢測到的概率也為50%。結(jié)合協(xié)商及保密增強等技術(shù),可以實現(xiàn)方案對Eve測量重發(fā)攻擊的抵御。

4　結(jié)　論

本方案利用GHZ態(tài)三粒子實現(xiàn)了星型網(wǎng)絡(luò)中的量子安全直接通信。網(wǎng)絡(luò)中任意兩個通信方Bob1和Bob2在服務(wù)器Alice的控制下可實現(xiàn)雙向通信,通過設(shè)計不同幺正變換實現(xiàn)信息編碼,使雙向通信時一次可傳輸4bit經(jīng)典信息,具有較高的通信效率。經(jīng)安全性分析可知,本方案可抵御Eve被動攻擊,同時結(jié)合協(xié)商及保密增強等技術(shù)，對Eve采取的截獲重發(fā)主動攻擊也是可抵御的。

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(編輯李靜)

Bidirectional quantum secure direct communication scheme for star network

CAO Zheng-wen1,2, FENG Xiao-yi1, PENG Jin-ye2, ZHANG Shuang-hao2

(1.School of Electronics and Information, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China; 2.School of Information Science and Technology, Northwest University, Xi′an 710127， China)

Based on the characteristics of three-particle GHZ state, a navel bidirectional quantum secure direct communication scheme is presented for star network. Under the control of the servers, each quantum pair can carry 4 bits of classical message by employing different kinds of unitary transformation between any two authenticated communication parties, which improves the transmission efficiency of classical message. Security analysis shows that passive attack and intercept-resend attack can be resisted for eavesdropper by using the measurement correlation property among three particles. This QSDC is highly efficient and security transmission scheme.

bidirectional quantum secure direct communication; star network; GHZ state; unitary transformation

2015-11-14

陜西省自然科學基金資助項目 ( 2013JM8036)；陜西省教育廳專項基金資助項目(12JK0497)

曹正文，女，湖南衡陽人，副教授，從事量子信息及通信導(dǎo)航技術(shù)研究。

TN918

A

10.16152/j.cnki.xdxbzr.2016-04-008