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Toward Practical Quantum Secure Direct Communication: A Quantum-Memory-Free Protocol and Code Design

窃听 量子密钥分配 量子位元 计算机科学 编码(社会科学) 频道(广播) 量子 协议(科学) 加密 安全传输 保密 计算机网络 物理 数学 计算机安全 量子力学 统计 医学 替代医学 病理
作者
Zhen Sun,Liyuan Song,Qin Huang,Liuguo Yin,Guilu Long,Jianhua Lü,Lajos Hanzo
出处
期刊:IEEE Transactions on Communications [IEEE Communications Society]
卷期号:68 (9): 5778-5792 被引量:102
标识
DOI:10.1109/tcomm.2020.3006201
摘要

Quantum secure direct communication (QSDC) is capable of direct confidential communications over a quantum channel, which is achieved by dispensing with the key agreement channel of the well-known quantum key distribution (QKD). However, to make QSDC a practical reality, we have to mitigate its reliance on quantum memory, its immediate communication interruption caused by eavesdropping and its low transmission reliability due to the heavy qubit losses. Hence a new QSDC protocol is proposed based on a sophisticated coded single-photon DL04 QSDC protocol to tackle the open challenges. In particular, quantum memory is dispensed with and a high-accuracy secrecy capacity estimate is derived for this protocol by conceiving dynamic joint encryption and error-control (JEEC) coding. We demonstrate that this quantum-memory-free DL04 QSDC (QMF-DL04 QSDC) protocol inches closer to the quantum channel's capacity and significantly improves the original DL04 QSDC's robustness. Moreover, a rate-compatible low-rate JEEC coding scheme is designed for the proposed framework, and the JEEC code advocated is shown to approach the secrecy capacity, despite tolerating an extremely high loss of qubits in the time-varying wiretap channel. Our simulations and experimental results demonstrate that the QMF-DL04 QSDC scheme significantly increases both the secure information rate and the communication distance of the original DL04 protocol.
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