CN105897411A - 用于量子密码通信的方法和设备 - Google Patents

Abstract

提供了用于量子密码通信的方法和设备。用于量子密码通信的设备包括：光源，该光源被配置成生成被传输至多个量子编码发送装置的光脉冲；以及量子纠缠测量单元，该量子纠缠测量单元被配置成接收从该多个量子编码发送装置中的每个量子编码发送装置生成的光信号并且测量从该多个量子编码发送装置接收的光信号的量子态之间的关系，该光信号是通过将密钥编码至光脉冲的量子态来生成的。用于量子密码通信的设备还可以包括信号方向确定单元。量子编码发送装置可包括用于对光脉冲或光信号进行反射的反射器、任意相位调整器、或用于将与密钥对应的数字信号编码至光脉冲的调制器。

Description

用于量子密码通信的方法和设备

技术领域

实施例涉及用于量子密码通信的方法和设备，更具体地，涉及用于与测量装置无关地分发安全密钥的技术。

[关于国家研究和开发支持的描述]

此研究在韩国科学技术学会的监督下由大韩民国的科学、ICT(信息通信技术)和未来规划部的信息通信技术R&D(研究和开发)计划(项目编号：2014-044-014-002)所支持。

背景技术

近年来，随着通信安全由于大规模个人信息泄漏而成为问题，对安全密码系统的需求日益增加。通常，密码系统不使用物理现象，而使用降低黑客攻击的可能性的数学难题。因此，仍然存在从外部攻击密码系统并且分析加密信息的可能性。

同时，量子密码是基于其中表现量子效应的单个光子不能被再现的量子力学的不确定性而开发的密码系统。通信主体通过使用量子来对经由使用密钥的信息进行加密或解密来安全地共享相同的安全密钥。理论上，如果试图从外部攻击，则光子的特性改变，并且因此不能从外部获得原始安全密钥或信息，从而确保免受黑客攻击的密码系统。

然而，实际上，由于用于量子密码系统的测量装置的缺陷或者不完善性，所以黑客攻击是有可能发生的。因此，已经开展了关于能够与测量装置无关地分发安全密钥的独立于测量装置的量子密钥分发系统(MDIQKD，measurement-device-independent quantum key distributionsystem)的研究。

图1是示意性地示出独立于测量装置的量子密码系统的框图。参考图1，第一量子编码发送装置(Alice)110和第二量子编码发送装置(Bob)120分别包括光源101和光源102，并且将从光源101、光源102生成的光脉冲转换为具有信息的光信号并且通过量子信道104将该光信号传输至量子密码通信设备(Charlie)100。之后，量子纠缠测量单元(quantumentanglement measuring unit)103通过使用量子纠缠基来测量多个所接收光信号之间的关系并且将共有信息分发到量子编码发送装置110、量子编码发送装置120二者以确保与测量装置无关的安全密钥分发系统。

然而，在现有的独立于测量装置的量子密码系统中，多个量子编码发送装置110、120的光源101、光源102应当完全一致以致不被区分开，并且需要用于测量从光源101、光源102生成的光信号的属性的差异并且反馈一致的属性的装置(或者主动控制)。然而，此反馈装置可能由于难以实现和巨大的成本而不能事实上商业化。

相关文献

非专利文献

(非专利文献1)Hoi-Kwong Lo，Marcos Curty，和Bing Qi，“Measurement-Device-Independent Quantum Key Distribution”，物理评论快报108，130503(2012)

发明内容

本公开涉及用于量子密码通信的方法和设备，其与测量装置的缺陷不相关并且通过使用从相同光源生成的光信号来分发安全密钥。

另外，本公开涉及用于量子密码通信的方法和设备，其可以在无需任何单独的反馈装置的情况下生成具有相同属性的多个光脉冲或光信号。

此外，本公开涉及用于量子密码通信的方法和设备，其对环境变化具有鲁棒性。

在本公开的一个方面中，提供了一种用于量子密码通信的设备，该设备包括：光源，该光源被配置成生成被传输至多个量子编码发送装置的光脉冲；以及量子纠缠测量单元，该量子纠缠测量单元被配置成接收从该多个量子编码发送装置中的每个量子编码发送装置生成的光信号并且测量从该多个量子编码发送装置接收的光信号的量子态之间的关系，该光信号是通过将密钥编码至光脉冲的量子态来生成的。

在实施例中，用于量子密码通信的设备还可以包括信号方向确定单元，该信号方向确定单元被配置成将光源的光脉冲传输至量子编码发送装置并且将该量子编码发送装置的光信号传输至量子纠缠测量单元。

另外，信号方向确定单元可以为光环行器。

在实施例中，量子编码发送装置还可以包括用于反射光脉冲或光信号的反射器。

该反射器可以为法拉第镜。

在实施例中，量子编码发送装置可以包括用于任意地调制光脉冲或光信号的相位的任意相位调整器(shifter)。

在实施例中，量子编码发送装置可以包括用于将与密钥对应的数字信号编码至光脉冲的调制器。

另外，在实施例中，光源可以为量子纠缠光源。

在本公开的另一方面中，提供了一种用于量子密码通信的方法，该方法包括：将光脉冲传输至多个量子编码发送装置；从多个量子编码发送装置接收多个光信号，该光信号中的每个光信号是通过在量子编码发送装置中将密钥编码至光脉冲的量子态来生成的；以及测量多个光信号的量子态之间的关系。

在实施例中，用于量子密码通信的方法还可以包括：在将光脉冲传输至多个量子编码发送装置的步骤与从多个量子编码发送装置接收多个光信号的步骤之间，对光脉冲或光信号进行反射。

对光脉冲或光信号进行反射的步骤可以包括：在对光脉冲或光信号的偏振进行旋转之后对光脉冲或光信号进行反射。

在实施例中，用于量子密码通信的方法还可以包括：在将光脉冲传输至多个量子编码发送装置的步骤与从多个量子编码发送装置接收多个光信号的步骤之间，任意地调制光脉冲或光信号的相位。

在实施例中，用于量子密码通信的方法还可以包括：在将光脉冲传输至多个量子编码发送装置的步骤与从多个量子编码发送装置接收多个光信号的步骤之间，通过将与密钥对应的数字信号编码至光脉冲来生成光信号。

根据本公开的实施例，可以提供用于量子密码通信的方法和设备，其与测量装置的缺陷不相关并且在无需任何单独的反馈装置的情况下生成具有相同属性——例如偏振、时序以及光谱性质等——的多个光脉冲或光信号，从而增强实用性。

另外，根据本公开的实施例，可以实现对环境变化具有鲁棒性的量子密码通信。

附图说明

图1是示意性地示出独立于测量装置的量子密码系统的框图；

图2是示意性地示出根据本公开的实施例的用于量子密码通信的设备的框图；

图3是示意性地示出了量子编码发送装置的框图，根据本公开的实施例的用于量子密码通信的设备将光脉冲传输至该量子编码发送装置并且从该量子编码发送装置接收光信号；

图4是示意性地示出根据本公开的实施例的用于量子密码通信的设备的框图；

图5是用于例示根据本公开的实施例的用于量子密码通信的方法的流程图；以及

图6是用于例示根据本公开的实施例的用于量子密码通信的方法的流程图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图来描述本公开的实施例。如果在若干附图中使用相似的附图标记，则在若干实施例中，相似的附图标记指代相似的或一致的功能。

图2是示意性地示出根据本公开的实施例的用于量子密码通信的设备(在下文中，也称为“量子密码通信设备”)的框图。

参考图2，量子密码通信设备(Charlie)200可以包括光源201和量子纠缠测量单元202。该光源201生成被传输至第一量子编码发送装置(Alice)210和第二量子编码发送装置(Bob)220的光脉冲。在实施例中，光源201可以为激光光源或量子纠缠光源(例如，自发参量下转换光子对)。

所生成的光脉冲通过量子信道203被传输至第一量子编码发送装置210和第二量子编码发送装置220，并且该量子信道203可以为例如光纤或大气(自由空间)。第一量子编码发送装置210和第二量子编码发送装置220在接收到光脉冲之后分别将密钥编码至光脉冲的量子态以生成光信号，并且将所生成的光信号传输至量子纠缠测量单元202。第一量子编码发送装置210和第二量子编码发送装置220使用可以为随机数的不同密钥以对光脉冲进行编码。

量子纠缠测量单元202在接收到来自第一量子编码发送装置210和第二量子编码发送装置220的光信号之后测量所接收的多个光信号的量子态之间的关系，并且将测量结果作为共用信息传输至第一量子编码发送装置210和第二量子编码发送装置220。

第一量子编码发送装置210和第二量子编码发送装置220可以通过经由使用所接收的信息来恢复共用安全密钥来具有相同的安全密钥。

根据本公开的实施例的量子密码通信设备将具有相同特性的光子或光脉冲从单个光源传输至多个量子编码发送装置，并且该多个量子编码发送装置通过使用从单个光源生成的光子或光脉冲来生成光信号。通过这样做，经历量子纠缠测量的多个光信号具有相同的属性，例如，偏振、时序、光谱性质等。因此，不需要用于使多个光信号具有不被区分的一致属性的属性差异测量装置或反馈装置，因此可以以低成本容易地实现量子密码通信设备。另外，由于光子被允许在同一量子信道203上来回传送，所以可以提供对环境变化具有鲁棒性的量子密码通信。

尽管图2示出了光源201将光脉冲传输至两个量子编码发送装置210、220，但是量子编码发送装置的数目不限于这些，而是可以超过2个。例如，光源201可以将光脉冲传输至数目为N×N(N为自然数)的量子编码发送装置，并且可以将从数目为N×N的量子编码发送装置生成的光信号传输至量子纠缠测量单元202以构建N×N网络。

图3是示意性地示出了量子编码发送装置的框图，根据本公开的实施例的用于量子密码通信的设备将光脉冲传输至该量子编码发送装置并且从该量子编码发送装置接收光信号。

参考图3，量子密码发送装置310可以包括反射器313。该反射器313通过反射光脉冲或者光信号来将光脉冲或光信号的前进方向路径改变180度。在与光源201(图2)所生成的光脉冲相比时，被反射器313反射的光脉冲或光信号可以具有经调制的量子态或未经调制的量子状态(例如，相位或偏振)。

在实施例中，反射器313可以是对光脉冲或光信号的偏振进行旋转并且对光脉冲或光信号进行反射的法拉第镜。该法拉第镜用于法拉第旋转器以将入射光脉冲或入射光信号的偏振旋转90度并且返回该光脉冲或光信号。被反射的光脉冲或被反射的光信号的偏振垂直于入射光脉冲或入射光信号的偏振，因此当光信号通过量子信道203(图2)被传输至量子密码通信设备200(图2)时，自动地校正由环境因素引起的偏振等的改变。因此可以提供对环境变化具有鲁棒性的量子密码通信设备。

在实施例中，量子编码发送装置310可以包括任意相位调整器311。该任意相位调整器311可以任意地调制从光源201(图2)接收的光脉冲或者从光脉冲转换装置312接收的光信号的量子态，使得例如相位被调制。

在量子密码通信设备中所包括的量子纠缠测量单元通过测量多个光信号之间的干扰来测量光信号的量子态之间的关系。在多个光信号之间发生一阶干扰和二阶干扰，并且由量子纠缠测量单元测量该二阶干扰。一阶干扰为光的电磁场之间的干扰并且可以通过使用单个检测器来测量，但是二阶干扰为光的强度之间的干扰且可以通过使用两个检测器的相关性来测量。根据本公开的实施例的量子密码通信设备可以通过经由在每个量子编码发送装置中所包括的任意相位调整器来调制光脉冲或光信号的相位来去除多个光子之间的一阶相干性，并且此时，该任意相位调整器不同步。

在实施例中，量子编码发送装置310可以包括调制器312。该调制器312将与密钥对应的数字信号编码至光脉冲的量子态(例如，偏振或相位)以将该光脉冲转换为具有信息的光信号。例如，量子编码发送装置310根据与随机数发生器所生成的随机数对应的数字信号来调制光脉冲的偏振，以将数字信号编码至光脉冲的偏振，从而生成表示数字信号的光信号。

可以将具有由任意相位调整器311调制的属性的光脉冲输入至调制器312并且将其转换为光信号，或者也可以将从光源接收的具有未经调制的属性的光脉冲输入至调制器312并且将其转换为光信号。

图4是示意性地示出根据本公开的实施例的用于量子密码通信的设备的框图。

参考图4，量子密码通信设备400还可以包括信号方向确定单元402。该信号方向确定单元402将来自光源401的光脉冲传输至第一量子编码发送装置410或第二量子编码发送装置420，并且将来自该第一量子编码发送装置410或第二量子编码发送装置置420的光信号传输至量子纠缠测量单元403。换言之，信号方向确定单元402确定的光脉冲或光信号的前进方向。在实施例中，信号方向确定单元402可以为光环行器。

在实施例中，如图4中所示，量子密码通信设备400分发安全密钥。从光源401生成的光脉冲被输入至信号方向确定单元402，并且根据信号方向确定单元402的状态、通过量子信道404被传输至第一量子编码发送装置410和第二量子编码发送装置420。任意相位调整器411任意地调制从量子密码通信设备400接收的光脉冲的相位并且将该光脉冲传输至调制器412。该调制器412将密钥编码至所接收的光脉冲的量子态以生成光信号，并且向反射器413传输所生成的光信号。反射器413对入射光信号的偏振进行旋转并且将具有经旋转的偏振的光信号反射至量子密码通信设备400。该光信号通过量子信道404被输入至信号方向确定单元402，并且根据信号方向确定单元402的状态被传输至量子纠缠测量单元403。第二量子编码发送装置420的任意相位调整器421、调制器422以及反射器423也以与第一量子编码发送装置410的任意相位调整器411、调制器412以及反射器413相似的方式进行操作，并且作为结果，光信号被传输至量子纠缠测量单元403。量子纠缠测量单元403测量从量子编码发送装置410、量子编码发送装置420二者接收的光信号的量子态之间的关系并且将测量结果传输至量子编码发送装置410、量子编码发送装置420二者，以使得量子编码发送装置410、量子编码发送装置420二者可以恢复安全密钥并且拥有共有的安全密钥。

图5是用于例示根据本公开的实施例的用于量子密码通信的方法的流程图。

参考图5，用于量子密码通信的方法(在下文中，也称为“量子密码通信方法”)500包括：将光脉冲传输至多个量子编码发送装置(步骤501)；从多个量子编码发送装置接收多个光信号，其中该量子编码发送装置将密钥编码至光脉冲的量子态，以生成多个光信号(步骤502)；以及测量多个光信号的量子态之间的关系(步骤503)。

根据本公开的实施例的量子密码通信方法将光子或光脉冲从单个光源传输至多个量子编码发送装置，并且测量通过使用光子或光脉冲所生成的光信号之间的关系。通过这样做，可以在无需任何单独的反馈装置的情况下生成并且使用具有相同属性的光信号。

图6是用于例示根据本公开的实施例的用于量子密码通信的方法的流程图。

参考图6，在实施例中，量子密码通信方法600还可以包括：在将光脉冲传输至多个量子编码发送装置的步骤601与从多个量子编码发送装置接收多个光信号的步骤602之间，任意地调制光脉冲或光信号的相位(步骤604)。

在实施例中，量子密码通信方法600还可以包括：在将光脉冲传输至多个量子编码发送装置的步骤601与从多个量子编码发送装置接收多个光信号的步骤602之间，通过将与密钥对应的数字信号编码至光脉冲以生成光信号(步骤605)。

在实施例中，量子密码通信方法600还可以包括：在将光脉冲传输至多个量子编码发送装置的步骤601与从多个量子编码发送装置接收多个光信号的步骤602之间，对光脉冲或光信号进行反射(步骤606)。在实施例中，对光脉冲或光信号进行反射的步骤606可以包括：在对光脉冲或光信号的偏振进行旋转之后对光脉冲或光信号进行反射。

尽管图6按照如下顺序例示了该方法：任意地调制光脉冲或光信号的相位的步骤604，通过将与密钥对应的数字信号编码至光脉冲来生成光信号的步骤605，以及对光脉冲或光信号进行反射的步骤606，但是本公开不限于此，并且这些步骤(步骤604、步骤605、步骤606)可以按照不同的顺序来执行。

例如，在将光脉冲传输至多个量子编码发送装置的步骤601之后，步骤604至步骤606可以按照以下顺序来执行：通过将与密钥对应的数字信号编码至光脉冲来生成光信号的步骤605，对光脉冲或光信号进行反射的步骤606，以及任意地调制光脉冲或光信号的相位的步骤604。在这种情况下，在反射光脉冲或光信号的步骤606中，将对光信号进行反射。另外，在任意地调制光脉冲或光信号的相位的步骤604中，将对光信号进行调制。

作为另一示例，步骤604至步骤606可以按照以下顺序来执行：对光脉冲或光信号进行反射的步骤606，任意地调制光脉冲或光信号的相位的步骤604，通过将与密钥对应的数字信号编码至光脉冲来生成光信号的步骤605。在这种情况下，在对光脉冲或光信号进行反射的步骤606中，将对光信号进行反射。另外，在任意地调制光脉冲或光信号的相位的步骤604中，将对光信号进行调制。

换言之，可以分别在对光脉冲或光信号进行反射的步骤606之前或之后执行任意地调制光脉冲或光信号的相位的步骤604和通过将与密钥对应的数字信号编码至光脉冲来生成光信号的步骤605。

在不背离本公开的范围的情况下，本领域普通技术人员可以对本公开进行改变或修改，并且因此本公开不限于以上实施例或附图。

Claims (15)

1.一种用于量子密码通信的设备，包括：

光源，所述光源被配置成生成被传输至多个量子编码发送装置的光脉冲；以及

量子纠缠测量单元，所述量子纠缠测量单元被配置成接收从所述多个量子编码发送装置中的每个量子编码发送装置生成的光信号并且测量从所述多个量子编码发送装置接收的光信号的量子态之间的关系，所述光信号是通过将密钥编码至所述光脉冲的量子态来生成的。

2.根据权利要求1所述的用于量子密码通信的设备，还包括信号方向确定单元，所述信号方向确定单元被配置成将所述光源的光脉冲传输至所述量子编码发送装置并且将所述量子编码发送装置的光信号传输至所述量子纠缠测量单元。

3.根据权利要求2所述的用于量子密码通信的设备，

其中，所述信号方向确定单元为光环行器。

4.根据权利要求1所述的用于量子密码通信的设备，

其中，所述量子编码发送装置包括用于反射所述光脉冲或所述光信号的反射器。

5.根据权利要求4所述的用于量子密码通信的设备，

其中，所述反射器为法拉第镜。

6.根据权利要求1所述的用于量子密码通信的设备，

其中，所述量子编码发送装置包括用于任意地调制所述光脉冲或所述光信号的相位的任意相位调整器。

7.根据权利要求1所述的用于量子密码通信的设备，

其中，所述量子编码发送装置包括用于将与所述密钥对应的数字信号编码至所述光脉冲的调制器。

8.根据权利要求1所述的用于量子密码通信的设备，

其中，所述光源为量子纠缠光源。

9.根据权利要求1所述的用于量子密码通信的设备，

其中，所述多个量子编码发送装置的数目为N×N，其中，N为自然数。

10.一种用于量子密码通信的方法，包括：

将光脉冲传输至多个量子编码发送装置；

从所述多个量子编码发送装置接收多个光信号，所述光信号中的每个光信号是通过在所述量子编码发送装置中将密钥编码至所述光脉冲的量子态来生成的；以及

测量所述多个光信号的量子态之间的关系。

11.根据权利要求10所述的用于量子密码通信的方法，在所述将光脉冲传输至多个量子编码发送装置与所述从所述多个量子编码发送装置接收多个光信号之间还包括：

对所述光脉冲或所述光信号进行反射。

12.根据权利要求11所述的用于量子密码通信的方法，

其中，所述对所述光脉冲或所述光信号进行反射包括：在对所述光脉冲或所述光信号的偏振进行旋转之后对所述光脉冲或所述光信号进行反射。

13.根据权利要求10所述的用于量子密码通信的方法，在所述将光脉冲传输至多个量子编码发送装置与所述从所述多个量子编码发送装置接收多个光信号之间还包括：

任意地调制所述光脉冲或所述光信号的相位。

14.根据权利要求10所述的用于量子密码通信的方法，在所述将光脉冲传输至多个量子编码发送装置与所述从所述多个量子编码发送装置接收所述光信号之间还包括：

通过将与所述密钥对应的数字信号编码至所述光脉冲来生成所述光信号。

15.根据权利要求10所述的用于量子密码通信的方法，

其中，所述多个量子编码发送装置的数目为N×N，其中，N为自然数。