基于连续变量的多方量子对话协议及其安全性研究

The existing discrete variable quantum dialogue protocols suffer the problem of low efficiency, the difficulty of implementation and the risk of information leakage. To overcome these shortcomings, based on the typical quantum dialogue protocols, the project will aim to find and grasp the physical mechanism of continuous variable quantum dialogue and the security features of multi-party quantum dialogue protocols. It will make full use of the advantages of continuous variable quantum communication in transmission efficiency, anti-noise performance, security and controllability. And the two-party and the multi-party quantum dialogue protocols based on continuous variable quantum states will be systematically researched. This project will mainly focus on quantum dialogue protocol based on squeezed states, quantum dialogue protocol based on two-mode squeezed vacuum states, multi-party quantum dialogue protocol based on continuous variable quantum states and multi-party controlled continuous variable quantum dialogue protocol. To avoid the information leakage effectively, the security of the quantum dialogue protocols will be strictly proved from the viewpoint of information theory and cryptography. It is necessary for the quantum dialogue protocols to move forward to multi-party and network communication situations. The two-party and the multi-party quantum dialogue protocols based on continuous variable quantum states will provide secure and efficient quantum dialogue mechanism and protocols for future quantum network communication. And it will enrich the theory of quantum dialogue, thus the project is of significant importance with good originality.

针对现有量子对话协议因基于离散变量而协议效率低、难以实现和存在信息泄露风险等问题，本项目拟在典型量子对话协议的基础上，发现并掌握连续变量量子对话的物理机制和多方量子对话协议安全性分析的特殊性。充分利用连续变量量子通信在传输效率、抗噪声性能、安全性和可调控性等方面的优势，系统地研究基于连续变量量子态的两方和多方量子对话协议。具体研究基于压缩态的量子对话协议、基于双模压缩态的量子对话协议、基于连续变量量子态的多方安全量子对话协议和受多方控制的连续变量量子对话协议，并从信息论和密码学角度严格论证所设计的量子对话新协议的安全性，有效避免信息泄露。多方安全量子对话协议是量子对话的网络化和实用化扩展方向，本项目的开展将为量子网络通信提供安全、高效的量子对话机制和协议，丰富和完善量子对话的内容，因而本项目具有明显的创新性和重要的理论意义。

现有的诸多量子对话协议无法满足多方同时通信要求，且基于离散变量的量子对话协议效率低、难以实现和存在信息泄露风险。针对上述问题，本项目系统研究了基于连续变量双方和多方量子对话协议，并详细分析了协议的安全性。本项目充分利用连续变量量子通信在传输效率、抗噪声性能、安全性和可调控性等方面的优势，基于连续变量量子态(包括单模压缩态、双模压缩态和GHZ态)以及分光镜、诱骗态策略、平移操作、块传输等提出了一系列多方量子对话协议。基于连续变量单模压缩态的量子网络对话协议利用单模压缩态的量子纠缠特性实现了多方安全通信。基于连续变量GHZ态的量子网络对话协议利用GHZ态的纠缠特性及随机诱骗态的平移操作实现了多个合法通信方同时对话并提高了通信效率。利用连续变量双模压缩态和块传输，受多方控制的量子安全直接通信协议保证了在两个通信控制方均同意的情况下，一个通信控制方能获得另一个通信控制方的秘密信息。基于连续变量GHZ态的三方量子对话协议使任意合法用户能够同时高效地推断出另外两个用户的秘密信息，该协议还可以扩展为多于三方参与的量子对话协议。基于双模压缩态的连续变量量子对话协议利用平移操作将秘密信息编码到纠缠光学模中，结合自身秘密信息及Bell基测量结果，任意通信方参照编码规则可以推断出另一通信方的秘密信息。基于Bell态、类GHZ态、GHZ态、W态和Cluster态等量子纠缠态，利用纠缠交换和诱骗态思想等还设计了一系列安全高效的量子或半量子多方通信协议。. 本项目共发表学术论文25篇，其中SCI收录期刊论文23篇，EI收录会议论文1篇；获授权国家发明专利1项；12人次参加5场学术会议，其中国际会议口头报告2次，张贴论文海报1篇；培养博士、硕士研究生12人，其中在读博士生2人，在读硕士生5人，毕业硕士生5人。本项目为量子网络通信提供了安全、高效的量子对话机制和协议，丰富和完善了量子对话的内容。