CN106789020B - 一种诱骗态量子密钥分发系统及方法 - Google Patents

一种诱骗态量子密钥分发系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种诱骗态量子密钥分发系统及方法。其中的系统包括：发送装置和接收装置；发送装置从三组测量基中选择任意一组测量基作为信号测量基，另两组测量基为诱骗测量基；从三组测量基中选择一组测量基；当选择诱骗测量基时，随机发送诱骗测量基的第一本征态或诱骗态；当选择信号测量基时，随机发送信号测量基的任意一个本征态或诱骗态；将测量基信息和诱骗态的信息发送给接收装置；根据测量基信息和诱骗态的信息进行参数估计，得到误码率；进行纠错并进行隐私放大，得到密钥。应用本发明可以在提高量子密钥分发系统的成码率的同时，大大减少了所使用的量子态的数目，节省了制备、发送或接收量子态所需的系统资源。

Description

一种诱骗态量子密钥分发系统及方法
技术领域
本发明涉及量子信息技术领域，尤其涉及一种诱骗态量子密钥分发系统及方法。
背景技术
随着互联网的飞速发展以及广泛普及和应用，通讯安全的重要性不断提升。在很多情况下，通讯双方希望通过公共信道传递信息，并同时保证信息的隐私性。例如，当银行向用户索取账号和密码的时候，用户总是希望他们通过公共信道传递的信息是隐私，是第三方无法获知的。在现有技术中，通过对信息一次一密的加密的方法，可以保证信息的隐私安全性，但这需要双方共享大量的私有密钥。由于通讯双方共享公有密钥，因此经典通讯协议的安全性实际上是基于计算复杂度的。然而，随着科技的发展，经典通讯的安全性将可能产生问题。
基于量子力学的基本原理，量子密钥分发可以在两方之间共享安全的随机密钥。利用共享的密钥可以对通讯中的信息进行加密，从而保证通讯安全。由于量子密钥分发技术的安全性是基于物理学基本原理，因此是信息论安全的。量子密钥分发的核心技术在于密钥共享双方可以探测第三方截获的密钥信息，从而可以将泄漏的信息剔除以得到安全的密钥。
量子密钥分发技术是量子信息技术中最有应用前景的技术之一。随着量子信息技术的发展，量子密钥分发系统已经在实验中得以实现。当前的量子密钥分发技术大多都基于诱骗态的BB84协议。在该协议中，需要制备斜测量基(简称X基，其本征态为两种对角偏振态|+>和|->，下同)和直测量基(简称Z基，其本征态为两种垂直偏振态|0>和|1>，下同)的本征态，因此是基于两组测量基的4种本征态进行编码。例如，在现有技术中的四态量子密钥分发技术中，一般需要发送Z基的本征态|0>和|1>，以及相应的诱骗态“|0>decoy”和“|1>decoy”；还需要发送X基的本征态|+>和|->，以及相应的诱骗态“|+>decoy”和“|->decoy”。所以，上述的基于诱骗态的BB84协议中，实际需要使用8种量子态。
另外，在上述的基于诱骗态的BB84协议中，由于只在X和Z两组测量基下进行编码，因此在传输过程中所产生的损耗，使得该协议往往不能最大化地利用信道进行信息以及密钥的传输，使得量子密钥分发的成码率对于一个给定的实际信道没有达到其理论上的最大值，因而会导致实际的传输效率并非最优的。因此，现有技术中的四态的量子密钥分发技术由于编码的问题使得其成码率也受到了相应的限制。
此外，现有技术中还提出了一种六态量子密钥分发技术。在该技术中，是通过在X、Y、Z三组测量基下的六种本征态(简称为六态)进行编码，从而保证量子密钥分发技术可以最大程度地利用信道进行传输。因此，在该技术中，除了上述的8种量子态之外，还需要额外发送Y基的本征态|+i>和|-i>，以及相应的诱骗态“|+i>decoy”和“|-i>decoy”，以提高实际量子密钥分发系统的成码率。因此，在六态的量子密钥分发协议里一共需要发送12种量子态(或称为信号态)，其中的冗余量很大。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种诱骗态量子密钥分发系统及方法，从而在提高量子密钥分发系统的成码率的同时，大大减少了所使用的量子态的数目，节省了制备、发送或接收量子态所需的系统资源。
本发明的技术方案具体是这样实现的：
一种诱骗态量子密钥分发系统，该系统包括：发送装置和接收装置；
所述发送装置和接收装置通过传输信道连接；
所述发送装置，用于预先选择三组测量基，并从三组测量基中选择任意一组测量基作为信号测量基，将另外两组测量基作为诱骗测量基；根据预设的选择概率从所述三组测量基中选择一组测量基；当所选择的测量基为诱骗测量基时，发送装置发送预设的与所选择的诱骗测量基对应的诱骗态；当所选择的测量基为信号测量基时，发送装置随机向所述接收装置发送所述信号测量基的任意一个本征态或与本征态对应的任意一个诱骗态；将所发送的各个量子态的测量基信息以及所发送的诱骗态的信息发送给接收装置；还还用于根据接收到的测量基信息以及诱骗态的信息进行参数估计，得到误码率；当误码率不大于预设阈值时，进行纠错并进行隐私放大，得到密钥；
所述接收装置，用于随机使用所述三组测量基中的一组测量基对所接收的量子态进行测量，得到测量结果；将对所接收的量子态进行测量所使用的测量基信息发送给发送装置；并根据测量结果和接收到的测量基信息以及诱骗态的信息进行参数估计，得到误码率；当误码率不大于预设阈值时，进行纠错并进行隐私放大，得到密钥。
较佳的，所述传输信道为光纤或自由空间。
本发明中还提供了一种诱骗态量子密钥分发方法，该方法包括如下步骤：
预先选择三组测量基，并从三组测量基中选择任意一组测量基作为信号测量基，将另外两组测量基作为诱骗测量基；
发送装置根据预设的选择概率从所述三组测量基中选择一组测量基；当所选择的测量基为诱骗测量基时，发送装置发送预设的与所选择的诱骗测量基对应的诱骗态；当所选择的测量基为信号测量基时，发送装置根据预设的发送概率发送所述信号测量基的任意一个本征态或与本征态对应的任意一个诱骗态；
接收装置随机使用所述三组测量基中的一组测量基对所接收的量子态进行测量，得到测量结果；
发送装置将所发送的各个量子态的测量基信息以及所发送的诱骗态的信息发送给接收装置；以及，接收装置将对所接收的量子态进行测量所使用的测量基信息发送给发送装置；
发送装置和接收装置进行参数估计，得到误码率；如果误码率大于预设阈值则终止整个流程；否则，发送装置和接收装置进行纠错，发送装置和接收装置进行隐私放大，得到密钥。
较佳的，所述预先选择的三组测量基为：X基、Y基和Z基三组测量基。
较佳的，将Z基作为信号测量基，将X基和Y基作为诱骗测量基。
较佳的，所述发送装置根据预设的概率从所述三组测量基中选择一组测量基为：
发送装置随机地从所述三组测量基中选择一组测量基。
较佳的，所述发送装置根据预设的概率从所述三组测量基中选择一组测量基为：
发送装置以大于1/3的概率从所述三组测量基中选择信号测量基作为当前测量基；
发送装置以小于2/3的概率从所述三组测量基中选择诱骗测量基作为当前测量基。
较佳的，当发送装置随机所选择的测量基为X基时，发送装置发送|+>诱骗态；
当发送装置随机所选择的测量基为Y基时，发送装置发送|+i>诱骗态；
当发送装置随机所选择的测量基为Z基时，发送装置随机发送|0>、|1>、|0>诱骗态或|1>诱骗态。
较佳的，当发送装置随机所选择的测量基为X基时，发送装置发送|->诱骗态；
当发送装置随机所选择的测量基为Y基时，发送装置发送|-i>诱骗态；
当发送装置随机所选择的测量基为Z基时，发送装置随机发送|0>、|1>、|0>诱骗态或|1>诱骗态。
由上述技术方案可见，在本发明的诱骗态量子密钥分发系统及方法中，使用了三组测量基，并从三组测量基中选择了一组测量基作为信号测量基，而将另外两组诱骗测量基，并且在发送装置发送量子态，仅发送诱骗测量基中的一种本征态或一种诱骗态，因此在本发明的技术方案中，仅需使用三组测量基中的6种信号态(而不是全部的12种信号态)即可实现量子密钥的安全分发，从而在提高量子密钥分发系统的成码率的同时，大大减少了所使用的量子态的数目，节省了制备、发送或接收量子态所需的系统资源。
附图说明
图1为本发明实施例中的诱骗态量子密钥分发系统的结构示意图。
图2为本发明实施例中的诱骗态量子密钥分发方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例中的诱骗态量子密钥分发系统的结构示意图。如图1所示，本发明实施例中的诱骗态量子密钥分发系统包括：发送装置11和接收装置12；
所述发送装置11和接收装置12通过传输信道13连接；
所述发送装置11，用于预先选择三组测量基，并从三组测量基中选择任意一组测量基作为信号测量基，将另外两组测量基作为诱骗测量基；根据预设的选择概率从所述三组测量基中选择一组测量基；当所选择的测量基为诱骗测量基时，发送装置发送预设的与所选择的诱骗测量基对应的诱骗态；当所选择的测量基为信号测量基时，发送装置根据预设的发送概率随机向所述接收装置12发送所述信号测量基的任意一个本征态或与本征态对应的任意一个诱骗态；将所发送的各个量子态的测量基信息以及所发送的诱骗态的信息发送给接收装置；还用于根据接收到的测量基信息以及诱骗态的信息进行参数估计，得到误码率；当误码率不大于预设阈值时，进行纠错并进行隐私放大，得到密钥；
所述接收装置12，用于随机使用所述三组测量基中的一组测量基对所接收的量子态进行测量，得到测量结果；将对所接收的量子态进行测量所使用的测量基信息发送给发送装置；并根据测量结果和接收到的测量基信息以及诱骗态的信息进行参数估计，得到误码率；当误码率不大于预设阈值时，进行纠错并进行隐私放大，得到密钥。
通过上述的量子密钥分发系统，发送装置11即可使用三组测量基中的6种量子态向接收装置12传输密钥，完成量子密钥的分发。
较佳的，在本发明的具体实施例中，所述传输信道13为光纤或自由空间。
图2为本发明实施例中的诱骗态量子密钥分发方法的流程示意图。如图2所示，本发明实施例中的诱骗态量子密钥分发方法包括：
步骤21，预先选择三组测量基，并从三组测量基中选择任意一组测量基作为信号测量基，将另外两组测量基作为诱骗测量基。
在本发明的技术方案中，可以先预先选择三组测量基。
例如，较佳的，在本发明的具体实施例中，所述预先选择的三组测量基可以是：X基、Y基和Z基三组测量基。
在选择了三组测量基之后，即可从三组测量基中选择任意一组测量基作为信号测量基，并将剩下的两组测量基作为诱骗测量基。
例如，较佳的，在本发明的具体实施例中，如果预先选择的三组测量基为X、Y和Z三组测量基，则可以根据实际应用情况的需要，预先将Z基作为信号测量基，而将X基和Y基作为诱骗测量基。
当然，在本发明的技术方案中，也可以将Z基作为信号测量基，或者是将Y基作为信号测量基。
步骤22，发送装置根据预设的选择概率从所述三组测量基中选择一组测量基；当所选择的测量基为诱骗测量基时，发送装置发送预设的与所选择的诱骗测量基对应的诱骗态；当所选择的测量基为信号测量基时，发送装置根据预设的发送概率发送所述信号测量基的任意一个本征态或与本征态对应的任意一个诱骗态。
发送装置在使用上述三组测量基发送量子态时，可以先根据预设的概率从三组测量基中选择一组测量基，然后再根据所选择的测量基以及预先的设定发送相应的信号态或量子态。
在本发明的技术方案中，可以根据实际应用情况的需要，预先设置上述的“选择概率”：px：py：pz。其中，px、py和pz分别表示选择各组测量基的概率。例如，当预先选择的三组测量基为X基、Y基和Z基三组测量基时，px、py和pz可以分别表示从三组测量基中选择X基、Y基和Z基的概率。
上述px、py和pz的值可以根据实际应用情况的需要预先设置。例如，可以预先将px、py和pz的值设置为：px：py：pz＝1:1:1，当然，也可以设置成其它的最优值。
例如，较佳的，在本发明的具体实施例中，所述发送装置根据预设的概率从所述三组测量基中选择一组测量基可以是：
发送装置随机地从所述三组测量基中选择一组测量基。
此时，相当于任意一组测量基被发送装置选中的概率都是1/3。
再例如，较佳的，在本发明的具体实施例中，所述发送装置根据预设的概率从所述三组测量基中选择一组测量基也可以是：
发送装置以大于1/3的概率从所述三组测量基中选择信号测量基作为当前测量基；
发送装置以小于2/3的概率从所述三组测量基中选择诱骗测量基作为当前测量基。
此时，相当于在本发明中结合使用了偏执的测量基选择方式，即发送装置和接收装置都将以较大的概率在信号测量基(例如，Z基)上操作，而以较小的概率在诱骗测量基(例如，X基和Y基)上操作。原因在于：信号测量基是用来产生密钥的，因此选择信号测量基的概率应该大一些。当然，使用诱骗测量基的概率也不能太小，太小的话误差较大，也会影响结果，因此在实际应用过程中，可以对上述px、py和pz的比例根据实际的参数中进行优化。
另外，在本发明的技术方案中，也可以根据实际应用情况的需要，预先设置上述的“发送概率”：ps：pd。其中，ps和pd分别表示选择本征态和诱骗态的概率。例如，当所选择的测量基为信号测量基时，将以ps的概率发送所述信号测量基的任意一个本征态，以pd的概率发送所述信号测量基的与本征态对应的任意一个诱骗态。
上述ps和pd的值可以根据实际应用情况的需要预先设置。例如，可以预先将ps和pd的值设置为：ps：pd＝1:1，当然，也可以设置成其它的最优值。
另外，在本发明的较佳实施例中，在设置上述发送概率时，可以使得ps>pd，即以较大的概率发送信号态(即本征态)，而以较小的概率发送诱骗态。原因在于：信号测量基是用来产生密钥的，因此发送信号态的概率应该大一些。当然，发送诱骗态的概率也不能太小，太小的话误差较大，也会影响结果，因此在实际应用过程中，可以对上述ps和pd的比例根据实际的参数中进行优化。
另外，在本发明的技术方案中，可以根据实际应用情况的需要，预先设置与两个诱骗测量基对应的诱骗态。
因此，在本发明的一个较佳实施例中，如果预先将Z基作为信号测量基，而将X基和Y基作为诱骗测量基，则：
当发送装置随机所选择的测量基为X基时，发送装置发送|+>诱骗态(或者是|->诱骗态)；
当发送装置随机所选择的测量基为Y基时，发送装置发送|+i>诱骗态(或者是|-i>诱骗态)；
当发送装置随机所选择的测量基为Z基时，发送装置随机发送|0>、|1>、|0>诱骗态或|1>诱骗态。
步骤23，接收装置随机使用所述三组测量基中的一组测量基对所接收的量子态进行测量，得到测量结果；
例如，当所使用的三组测量基分别为X、Y、Z三组测量基时，接收装置可以随机使用X、Y、Z三组测量基中的任意一组测量基对所接收的量子态进行测量，得到相应的测量结果。
步骤24，发送装置将所发送的各个量子态的测量基信息以及所发送的诱骗态的信息发送给接收装置；以及，接收装置将对所接收的量子态进行测量所使用的测量基信息发送给发送装置。
在本发明的技术方案中，发送装置和接收装置可以通过公共信道公布所选择的测量基以及所发送的诱骗态信息，进而可以通过后处理使得双方在理论上共享相同的密钥。
由于已经预先约定：将信号测量基的两个本征态所对应的编码作为原始密钥信息，而将其它量子态所对应的编码等信息作为参数估计信息，因此，当所选择的三组测量基为X、Y和Z三组测量基，并预先设定Z基作为信号测量基时，发送装置和接收装置都会将Z基的两个本征态|0>、|1>所对应的编码作为原始密钥信息，而将其它的量子态所对应的编码等信息作为参数估计信息，用来进行参数估计。
步骤25，发送装置和接收装置进行参数估计，得到误码率；如果误码率大于预设阈值则终止整个流程；否则，执行步骤26。
由于在信道中可能存在窃听者，因此发送装置和接收装置需要进行参数估计，以确认信道中是否存在窃听者。
在本发明的技术方案中，由于发送装置和接收装置都已知应当使用哪个量子态所对应的编码作为参数估计信息(例如，使用诱骗测量基的量子态的信息)，因此，发送装置和接收装置均可根据该参数估计信息进行参数估计，从而得到相应的误码率。在本发明中，可以使用常用的参数估计方法得到上述的误码率，在此不再赘述。
在得到上述误码率之后，即可判断该误码率是否大于预设阈值。如果该误码率大于预设阈值，则说明误码太多，必须放弃所得到的密钥信息，因此将终止整个流程。如果该误码率大于预设阈值，则说明误码率在可接受的范围内，从而可以进行执行下述的步骤26，以得到最终的密钥。
步骤26，发送装置和接收装置进行纠错。
由于实际应用情况的不完美，发送装置和接收装置所共享的密钥在实际应用情况中可能不完全一致，因此需要对共享的密钥进行纠错，从而保证所共享的密钥在实际中完全一致。
在本发明的技术方案中，可以使用常用的纠错方法对所接收到的原始密钥信息进行纠错，从而得到纠错后的密钥信息，因此，具体的纠错方法在此不再赘述。
步骤27，发送装置和接收装置进行隐私放大，得到密钥。
在本发明的技术方案中，可以使用常用的隐私放大方法对纠错后的密钥信息进行隐私放大，从而得到最终的密钥，因此，具体的隐私放大方法在此不再赘述。
通过上述的步骤21～27，发送装置和接收装置之间即可安全地传输密钥，从而可以共享一致并且安全的密钥。
综上所述，在本发明的技术方案中，使用了三组测量基，并从三组测量基中选择了一组测量基作为信号测量基，而将另外两组诱骗测量基，并且在发送装置发送量子态，仅发送诱骗测量基中的一种本征态或一种诱骗态，因此在本发明的技术方案中，仅需使用三组测量基中的6种信号态(而不是全部的12种信号态)即可实现量子密钥的安全分发，从而在提高量子密钥分发系统的成码率的同时，大大减少了所使用的量子态的数目，节省了制备、发送或接收量子态所需的系统资源。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (9)

1.一种诱骗态量子密钥分发系统，其特征在于，该系统包括：发送装置和接收装置；
所述发送装置和接收装置通过传输信道连接；
所述发送装置，用于预先选择三组测量基，并从三组测量基中选择任意一组测量基作为信号测量基，将另外两组测量基作为诱骗测量基；根据预设的选择概率从所述三组测量基中选择一组测量基；当所选择的测量基为诱骗测量基时，发送装置发送预设的与所选择的诱骗测量基对应的诱骗态；当所选择的测量基为信号测量基时，发送装置根据预设的发送概率随机向所述接收装置发送所述信号测量基的任意一个本征态或与本征态对应的任意一个诱骗态；将所发送的各个量子态的测量基信息以及所发送的诱骗态的信息发送给接收装置；还用于根据接收到的测量基信息以及诱骗态的信息进行参数估计，得到误码率；当误码率不大于预设阈值时，进行纠错并进行隐私放大，得到密钥；
所述接收装置，用于随机使用所述三组测量基中的一组测量基对所接收的量子态进行测量，得到测量结果；将对所接收的量子态进行测量所使用的测量基信息发送给发送装置；并根据测量结果和接收到的测量基信息以及诱骗态的信息进行参数估计，得到误码率；当误码率不大于预设阈值时，进行纠错并进行隐私放大，得到密钥。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，
所述传输信道为光纤或自由空间。
3.一种诱骗态量子密钥分发方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
预先选择三组测量基，并从三组测量基中选择任意一组测量基作为信号测量基，将另外两组测量基作为诱骗测量基；
发送装置根据预设的选择概率从所述三组测量基中选择一组测量基；当所选择的测量基为诱骗测量基时，发送装置发送预设的与所选择的诱骗测量基对应的诱骗态；当所选择的测量基为信号测量基时，发送装置根据预设的发送概率发送所述信号测量基的任意一个本征态或与本征态对应的任意一个诱骗态；
接收装置随机使用所述三组测量基中的一组测量基对所接收的量子态进行测量，得到测量结果；
发送装置将所发送的各个量子态的测量基信息以及所发送的诱骗态的信息发送给接收装置；以及，接收装置将对所接收的量子态进行测量所使用的测量基信息发送给发送装置；
发送装置和接收装置进行参数估计，得到误码率；如果误码率大于预设阈值则终止整个流程；否则，发送装置和接收装置进行纠错，发送装置和接收装置进行隐私放大，得到密钥。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，
所述预先选择的三组测量基为：X基、Y基和Z基三组测量基。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：
将Z基作为信号测量基，将X基和Y基作为诱骗测量基。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述发送装置根据预设的概率从所述三组测量基中选择一组测量基为：
发送装置随机地从所述三组测量基中选择一组测量基。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述发送装置根据预设的概率从所述三组测量基中选择一组测量基为：
发送装置以大于1/3的概率从所述三组测量基中选择信号测量基作为当前测量基；
发送装置以小于2/3的概率从所述三组测量基中选择诱骗测量基作为当前测量基。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：
当发送装置随机所选择的测量基为X基时，发送装置发送|+>诱骗态；
当发送装置随机所选择的测量基为Y基时，发送装置发送|+i>诱骗态；
当发送装置随机所选择的测量基为Z基时，发送装置随机发送|0>、|1>、|0>诱骗态或|1>诱骗态。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：
当发送装置随机所选择的测量基为X基时，发送装置发送|->诱骗态；
当发送装置随机所选择的测量基为Y基时，发送装置发送|-i>诱骗态；
当发送装置随机所选择的测量基为Z基时，发送装置随机发送|0>、|1>、|0>诱骗态或|1>诱骗态。
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