一种基于4维Bell态粒子和单光子混合的量子安全直接通信改进方案

随着近年来量子密码技术的迅猛发展，作为其重要分支的量子安全直接通信(QSDC)技术也取得了令人瞩目的进展。本文提出了一种依托4维Hilbert空间的QSDC改进方案，该方案混合利用Bell态粒子和单光子并将3比特经典信息加载于1个量子态上以提高编码容量以及信息传输的效率和安全性。

1.1. 量子安全直接通信发展背景 量子密码技术是一种依托于量子物理基本理论来实现信息安全的新式保密技术，相较于经典加密系统基于数学计算复杂度的安全性描述，量子密码系统理论定义上的安全由量子纠缠效应、量子叠加等量子力学基本原理以及量子隐形传态、量子不可克隆等量子特性来保证。

目前， 量子密钥分发(Quantum Key Distribution, QKD)是使用最为广泛的一种量子密码技术，其商用产业化逐渐实现，实用性得到了很好的检验。1984 年，美国IBM 公司的Bennett、加拿大Montreal 大学的Brassard 首创了BB84 量子密钥分发协议，该协议利用量子信道传输可用于经典密码体制的量子密钥[1]。因此量子密钥分发技术只是生成并传输密钥而无法直接传输机密信息。

考虑到量子密钥分发技术并不能直接作用于信息通信，科研工作者们便提出了量子安全直接通信的概念， 以实现机密信息的直接安全传输。

量子安全直接通信(Quantum Secure Direct Communication, QSDC)借助不同量子态或量子操作加载信息，综合利用了量子特性以及量子力学基本原理，是一种可实现机密内容直接传输的量子密码技术[2]。

通信双方利用量子安全直接通信技术交流机密信息， 不需要生成密钥， 只需要在系统安全性检测、传输错误率估计时交换少量经典信息。机密信息加载于量子态前，通信方就应判断出是否存在窃听，若有窃听，则放弃此次通信过程；若无窃听，就开始传输机密信息。因此，量子安全直接通信也可以用于产生随机密钥来实现量子密钥分发的功能。

2000 年，清华大学龙贵鲁、刘晓曙首创了量子数据块传输与分步传输方法，提出了第一个利用EPR纠缠光子对实现的两步高效量子通信方案，可解决通信过程中的信息泄漏难题[2]。2003 年，龙贵鲁、刘晓曙和北京师范大学的邓富国首次阐明了量子安全直接通信的定义、构造原理，提出了结构更完整、步骤更清晰的利用EPR 纠缠光子对实现的两步QSDC 方案[3]。2003 年，邓富国、龙贵鲁首次提出了利用单光子实现的QSDC 方案， 也称量子一次一密(quantum one-time pad)方案或Deng-Long-04 (DL04)方案[4]， 该方案在一次一密加密体系中利用了未知量子态的不可克隆特性，阐明了量子安全直接通信的物理机制以及需要满足的通信条件。早期的两个经典方案给出了量子安全直接通信的构造原理和安全判据，为