CN101827149A - 量子保密电话 - Google Patents
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Abstract
一种量子保密电话，将量子保密通信和现行电话通信的结合，利用绝对安全的量子密码本对语音的加解密，实现了安全的电话通信，系统最大的优点在于利用FPGA作为控制核心，由于FPGA并不开放密码本存储芯片的接口，因此任何妄图通过攻击终端而远程窃取密码本的行为都将无计可施。相对于普通计算机诸多漏洞而言，无疑是对安全性的有力保障。另外，随着FPGA技术的发展，目前的处理速度已经可以达到千兆赫兹量级，因此无论是在密钥筛选的处理速度上，还是在偏振反馈控制的精度和灵敏度上，都有了质的飞跃，而且FPGA还能兼容如相位编码和纠缠编码等其他编码方案。并能工作在更高工作频率的量子密钥分发系统中，都具有很好的适应性。
Description
技术领域
本发明涉及量子保密通信类，具体讲的是通过高速的量子保密通信生成密码本，再用这个密码本对压缩后的语音信号进行加解密，最终实现长距离的量子保密电话。
背景技术
量子保密通信的通讯双方通过单光子加载和传输信息，由于单光子不可再分，窃听者就不可能对单光子进行分离，监听等操作，因而生成的密码本是绝对安全的。
由于量子保密通信能够提供绝对安全的通信渠道，因此对于国防，政治，金融等各个领域都有重要的意义，欧洲和美日等发达国家都在不断的进行量子保密通信实用化的探索，瑞士甚至还利用量子保密通信来帮助大选的投票安全。我国也同样重视量子通信的实用化，将其列为重点科研项目进行研究。
从量子保密通信提出到如今已经历了近30年的基础研究，研究内容涉及了密钥生成方案，安全性，单光子源和单光子探测等多个方面。理论和实验技术等都已比较成熟，为走出实验室，迈向商业化和实用化奠定了基础。
实用的量子保密通信系统一般分为三个层面：一是传输单光子的量子信道，通过将信息加载到单光子实现安全的密钥分发；二是传输筛选信息和码位信息的经典信道，用于密码本生成的筛选和校验；三是应用信道将信息通过密码本的加解密，可以实现安全的信息传输，理论上在应用信道上可以传输电话，视频，文件等信息。
量子保密通信的编码方式通常有相位编码、偏振编码和纠缠对编码等方式。本发明选择了偏振编码作为单光子编码方式，因为偏振器件都是被动调制解调，而且差损较小，适用于长距离的保密通信。但这种编码方式最主要的缺点就是偏振模式色散将导致偏振态随即抖动，必须进行主动控制。
以往的量子通信过程，一般都是利用计算机进行操控和信息存储，但是对于一个要求绝对安全的通信系统而言，计算机系统本身就带有各种漏洞，存在远程控制、攻击和窃取的可能性，因此终端的不安全将使得绝对安全的量子信道变得没有意义。另外使用数据采集卡和计算机结合的处理方式也很难实现高速数据传输。
发明内容
本发明的目的是提供一种将量子保密通信与现行主流通信方式之一相结合的量子保密电话。利用FPGA做为量子保密电话系统的控制核心，解决现有技术中偏振编码方式偏振模式色散将导致偏振态随即抖动的问题，以及利用计算机进行操控和信息存储存在的安全性能和很难实现高速数据传输的问题。
本发明目的实现由以下技术方案完成：一种量子保密电话，其特征在于，将量子保密通信的光学部分和现行电话通信的电学部分相互结合，系统包括密钥生成模块、偏振控制模块和加解密模块；整个通信过程由现场可编程门阵列(FPGA)控制，利用绝对安全的量子密码本对语音的加解密。
所述的光学部分由光学发送端和光学接收端通过光纤连接组成，该光学发送端包括半导体激光器1、偏振调节器2、数控衰减器3和4*1耦合器，四个半导体激光器的输出的激光分别通过一偏振调节器2调制到0°，90°，45°，135°四种状态，并经过4*1耦合器4耦合到一根光纤中；其中0°和45°的激光回路分连接有一个数控衰减器3；该光学接收端包括电动偏振控制器5、偏振分束器6和单光子探测器7，两个电动偏振控制器5的输入端通过一根光纤与所述的4*1耦合器4的输出端连接，该电动偏振控制器5的输出端分别与一个偏振分束器6输入端连接，每一该偏振分束器6的两个输出端均与一个单光子探测器7的输入端连接；该半导体激光器1的输入端和单光子探测器7的输出端分别与所述的电学部分的发送端和接收端连接。
所述的电学部分由电学发送端和电学接收端通过经典信道8连接组成，该电学发送端和电学接收端分别以FPGA子系统作为控制核心，每一FPGA子系统的一端通过经典信道8相互连接，每一FPGA子系统的另一端分别通过语言压缩装置与电话连接；发送端的FPGA子系统通过数字IO口驱动所述的光学发送端的半导体激光器，该FPGA子系统还通过A/D转换器与数控衰减器3连接；该电学接收端的FPGA子系统根据所述的单光子探测器反映出来的偏振对比度，按照设定算法给出相应的反馈控制信号，经过D/A转换器，运放后驱动所述的电动偏振控制器。
本发明实现了量子保密通信和现行电话通信的结合，利用绝对安全的量子密码本对语音的加解密，实现了安全的电话通信，系统最大的优点在于利用FPGA作为控制核心，由于FPGA并不开放密码本存储芯片的接口，因此任何妄图通过攻击终端而远程窃取密码本的行为都将无计可施。相对于普通计算机诸多漏洞而言，无疑是对安全性的有力保障。另外，随着FPGA技术的发展，目前的处理速度已经可以达到千兆赫兹量级，因此无论是在密钥筛选的处理速度上，还是在偏振反馈控制的精度和灵敏度上，相比以往的数据采集卡等，都有了质的飞跃，而且FPGA还能兼容如相位编码和纠缠编码等其他编码方案。并且能工作在更高工作频率的量子密钥分发系统中，对今后实现百兆级甚至千兆级的量子保密通信，都具有很好的适应性。
附图说明
图1为本发明量子保密电话光学部分的结构以及与电学部分的连接关系的示意图；
图2为本发明量子保密电话电学部分的结构图；
图3为本发明量子保密电话的工作流程图。
具体实施方式
以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解。
参见图1，本发明一种量子保密电话，其特征在于，将量子保密通信的光学部分和现行电话通信的电学部分相互结合。
所述的光学部分由光学发送端和光学接收端通过光纤9连接组成，该光学发送端包括半导体激光器1、偏振调节器2、数控衰减器3和4*1(四进一出)耦合器4，四个半导体激光器1的输出的激光分别通过一偏振调节器2调制到0°，90°，45°，135°四种状态，并经过4*1耦合器4耦合到一根光纤9中；其中0°和45°的激光回路分连接有一个数控衰减器3。
该光学接收端包括电动偏振控制器5、偏振分束器6和单光子探测器7，两个电动偏振控制器5的输入端通过一根光纤9与所述的4*1耦合器4的输出端连接，该电动偏振控制器5的输出端分别与一个偏振分束器6输入端连接，每一该偏振分束器6的两个输出端均与一个单光子探测器7的输入端连接；该半导体激光器1的输入端和单光子探测器7的输出端分别与所述的电学部分的发送端和接收端连接。
该光学部分采用了最常规的偏振编码BB84方案，四个半导体激光器1使用USL155，其中心波长为1550nm，脉冲宽度为100ps。窄的脉冲宽度将有利于单光子探测器获得更高的信噪比，脉冲重复频率设定在20MHz，出射的激光经过手动的偏振调节器2调制到0°，90°，45°，135°四种状态，并经过4*1耦合器4耦合到一根光纤中。其中0°和45°的激光还经过了一个数控的衰减器3，其作用是在偏振控制的时候适当增加光强，使得偏振控制的精度提高。在接收端电动偏振控制器5由三个相互之间成45°的压电陶瓷组成，通过从不同角度挤压光纤，可以得到任意偏振输出，电动偏振控制器5的反馈电压由FPGA控制的D/A模块产生，其反馈量大小是依据单光子探测器7上反映出的偏振对比度的大小给出的。偏振分束器6的作用是作为被动的偏振解调器件，这是偏振编码BB84协议所要求的。所述的单光子探测器7是我们自己研制开发的现有的SPDIII型探测器，其中雪崩二极管工作在“盖格模式”，工作带宽设定在20MHz，暗计数可达2*E-6，探测效率可达10％。单光子探测器7带有数据和时钟输出口，通过电缆连接到FPGA，可实现对单光子信号的数据采集。
参见图2，所述的电学部分由电学发送端和电学接收端通过经典信道8连接组成，该电学发送端和电学接收端分别以FPGA子系统作为控制核心，每一FPGA子系统的一端通过经典信道8相互连接，每一FPGA子系统的另一端分别通过语言压缩装置与电话连接。发送端的FPGA子系统通过数字IO口驱动所述的光学发送端的半导体激光器1，该FPGA子系统还通过A/D转换器与(光学部分的)数控衰减器3连接；该电学接收端的FPGA子系统根据所述的单光子探测器7反映出来的偏振对比度，按照设定算法给出相应的反馈控制信号，经过D/A转换器，运放后驱动(光学部分的)电动偏振控制器5。
参见图1～图3，量子保密电话的发送端和接收端双方的电学部分以FPGA子系统作为控制核心，FPGA芯片选择xilinx V5，通信的双方以其中一端的摘机信号作为通讯开始，首先通过经典信道8进行状态确认，然后系统将轮流工作在“密钥生成”状态和“偏振控制”状态，两种状态通过定时中断切换，在“密钥生成”状态中，发送方通过数字IO口驱动半导体激光器，接收端FPGA采集单光子信号，并进行密码筛选，校验，纠错等操作，生成密码本导入储存芯片。当偏振控制的定时中断到来的时候，FPGA控制衰减器减少衰减，增加收端单光子计数，以提高控制精度，数控衰减器提供了模拟反馈信号，通过A/D转换告知FPGA，以实现对其的精确定位。接收端根据单光子探测器反映出来的偏振对比度，按照设定算法给出相应的反馈控制信号，经过D/A，运放后驱动电动偏振控制器，当偏振调节到满足通讯要求后，系统重新切换回“密钥生成”状态。另一方面，电话输出的模拟语音信号，经过语音压缩模块后，转换为具有一定帧格式的数字语音信号，我们选择的压缩率为2400bps，这个信号被FPGA接收，并按照其设定格式挑选出包含语音信息的位进行加密，加密过程采用了“一次一密”的形式，密码序列按照“先入先出”的方式用于加密，使用过的密码随即丢弃，保证信息的安全性。而接收端进行一次与发送端相逆的解密过程，将语音信息恢复，对语音的加解密过程是双向的，以适应电话的双工方式。
本发明中，FPGA的工作方式兼容了USB2.0、串口和网口的数据传输，可以方便的实现数据与计算机的互联。但是密钥生成和储存都在FPGA控制板上完成，由于不存在类似计算机系统的“后门”，有效的杜绝了通过远程网络进行攻击和窃取的可能，并且FPGA控制板还可以兼容更高的传输和密钥生成速率，为进一步的视频通话或者大容量数据的高速传输等提供了可能。
本发明通过长距离光纤量子信道生成初始密码，并通过FPGA筛选和纠错后得到双方一致的密码本。再将语音信号与密码本加密，通过经典信道传输后，在接收端解密，从而实现了保密的语音通信。量子密钥分发系统的同步、单光子信号发送和量子通道数据流读出、单光子偏振控制、经典通道的信号传递、量子密码的筛选和纠错、密码本缓存、以及语音加密与解密等等，全部利用FPGA来完成。
本发明利用FPGA(现场可编程门阵列)替代计算机作为整个量子通信系统的控制核心，提高了控制速率和安全性。系统包括密钥生成模块，偏振控制模块和加解密模块。整个过程由FPGA控制，替代了以往用的计算机，使得系统安全性进一步提高。
本发明的量子信道采用了偏振编码的BB84协议，用于双方生成初始密码，其中光脉冲触发，衰减控制，偏振反馈控制，单光子信号采集等过程都由FPGA完成，生成的初始密码也保存在FPGA板上的存储芯片中，随后通信双方经过一系列的密钥筛选和密钥纠错，增强等操作得到最终的密码本。
本发明的语音信号通过专用的语音压缩芯片转换为具有一定帧格式的数字信号，FPGA对数字信号的解析，找出其中代表语音的数据位，并从存储芯片中，通过先入先出的方式，导出密码本对语音信号进行加密，然后经公用信道将加密好的信息传输至收端，收端采用一相逆过程，对信号进行解密，语音恢复，从而实现保密电话通信。
Claims (3)
1.一种量子保密电话，其特征在于，将量子保密通信的光学部分和现行电话通信的电学部分相互结合，系统包括密钥生成模块、偏振控制模块和加解密模块；整个通信过程由现场可编程门阵列FPGA控制，利用绝对安全的量子密码本对语音的加解密。
2.根据权利要求1所述的量子保密电话，其特征在于，所述的光学部分由光学发送端和光学接收端通过光纤连接组成，该光学发送端包括半导体激光器、偏振调节器、数控衰减器和4*1耦合器，四个半导体激光器的输出的激光分别通过一偏振调节器调制到0°，90°，45°，135°四种状态，并经过4*1耦合器耦合到一根光纤中；其中0°和45°的激光回路分连接有一个数控衰减器；该光学接收端包括电动偏振控制器、偏振分束器和单光子探测器，两个电动偏振控制器的输入端通过一根光纤与所述的4*1耦合器的输出端连接，该电动偏振控制器的输出端分别与一个偏振分束器输入端连接，每一该偏振分束器的两个输出端均与一个单光子探测器的输入端连接；该半导体激光器的输入端和单光子探测器的输出端分别与所述的电学部分的发送端和接收端连接。
3.根据权利要求2所述的量子保密电话，其特征在于，所述的电学部分由电学发送端和电学接收端通过经典信道连接组成，该电学发送端和电学接收端分别以FPGA子系统作为控制核心，每一FPGA子系统的一端通过经典信道相互连接，每一FPGA子系统的另一端分别通过语言压缩装置与电话连接；发送端的FPGA子系统通过数字IO口驱动所述的光学发送端的半导体激光器，该FPGA子系统还通过A/D转换器与数控衰减器连接；该电学接收端的FPGA子系统根据所述的单光子探测器反映出来的偏振对比度，按照设定算法给出相应的反馈控制信号，经过D/A转换器，运放后驱动所述的电动偏振控制器。
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Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 226500 NANTONG, JIANGSU PROVINCE TO: 200433 YANGPU, SHANGHAI |
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| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20140514 Address after: 200433, No. 3, building 12, No. 128 Xiang Yin Road, Shanghai, Yangpu District Patentee after: Shanghai Langyan Optoelectronics Technology Co.,Ltd. Address before: 226500, Jiangsu City, Rugao Province, such as Deng yuan community 15 group (Rugao science and Technology Pioneer Park, comprehensive building, room 101) Patentee before: Nantong Mohe Quantum Science & Technology Development Co., Ltd. |
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| DD01 | Delivery of document by public notice |
Addressee: Shanghai Langyan Optoelectronics Technology Co.,Ltd. Document name: Notification to Pay the Fees |
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| DD01 | Delivery of document by public notice | ||
| DD01 | Delivery of document by public notice |
Addressee: Shanghai Langyan Optoelectronics Technology Co.,Ltd. Document name: Notification of Termination of Patent Right |
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| DD01 | Delivery of document by public notice | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20121010 Termination date: 20170210 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |