CN107359985B - 一种基于霍夫曼压缩编码的受控量子安全直接通信方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于霍夫曼压缩编码的受控量子安全直接通信方法，发送方Alice和接收方Bob设计相同的序列产生器，控制方Charlie通过发送序列产生器的初始态，通信双方产生相同的伪随机序列。Alice利用霍夫曼压缩编码对原始信息进行压缩，并将压缩后的序列和伪随机序列异或构成序列S1。Alice发送序列SB给Bob检测信道安全性，若信道安全则Alice将S1分为奇序列和偶序列，对奇偶序列进行不同的编码后加载到SA剩余粒子上发送给Bob；否则放弃此次通信。Bob检测信道安全后测量译码恢复序列S1，并将S1与伪随机序列异或得到压缩序列，Bob对压缩序列解压即可得到原始信息。该方法能有效提高量子安全直接通信的传输效率。
Description
技术领域
本发明属于量子安全通信领域，具体涉及一种基于霍夫曼压缩编码的受控量子安全直接通信QSDC方法。
背景技术
量子通信是量子信息学中一个重要的研究方向，近二十年来得到了飞速的发展，为保密通信系统提供了一种新的思路。量子安全直接通信在通信过程中不用提前建立密钥直接传输机密信息，作为量子通信的重要分支，已经吸引了相关领域的学者不断开展深入研究。
文献1“权东晓，裴昌幸，刘丹，赵楠.基于单光子的单向量子安全通信协议[J].物理学报，2010,59(4):2493-2497.”提出了一种基于单光子的单向QSDC协议，发送方在对信息序列编码前先将其和随机序列进行异或操作，达到加密的效果，但接收方经过解密获取原始信息时需要发送方的整个随机序列，因此使用的经典比特较多。量子通信传输效率与使用的量子比特和经典比特的总数有关，他们的总和越大，传输效率就越低。该协议的传输效率为0.5。
文献2“邵军虎，白宝明.采用纠缠辅助量子LDPC码和检错重传策略的量子直传通信方案[J].光子学报，2011,40(12):1809-1814.”提出了一种有效利用纠缠资源的量子安全直传通信方案，采用纠缠辅助量子低密度校验码对量子态信息进行前向纠错保护；该方案中使用的低密度奇偶校验码是一种信道编码方案，并没有使用信源编码来提高量子通信传输效率。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于，提供一种基于霍夫曼压缩编码的受控量子安全直接通信方法，以有效提高量子通信的传输效率。
为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：
一种基于霍夫曼压缩编码的受控量子安全直接通信方法，包括以下步骤：
步骤一，发送方制备一串Bell态，并将所述的Bell态分成两组序列SA和SB；发送方和接收方设计相同的序列产生器，此时是控制方设定所述的序列产生器的初始状态；
步骤二，控制方将霍夫曼编码的初始状态发送给发送方，发送方对要发送的原始信息进行霍夫曼编码得到压缩序列；
步骤三，控制方将所述序列产生器的初始状态通过经典信道发送给发送方，发送方收到后利用序列产生器产生伪随机序列；然后发送方将压缩序列和伪随机序列进行异或，构成序列S1，之后将S1序列的奇数位分给奇序列So，偶数位分给偶序列Se，并按照So在前，Se在后拼接成序列S2；
步骤四，发送方将序列SB发送给接收方，接收方从接收到的SB中随机抽取检测粒子进行单光粒子检测，并将测量结果、测量基信息和位置信息发送给发送方；发送方根据接收方发送的信息测量SA相对应位置的粒子，然后将自己的测量结果和接收方的测量结果进行对比：如果错误率小于安全阈值，则信道安全，继续执行步骤五；否则信道不安全，放弃此次通信；
步骤五，当确定信道安全时，发送方在序列SA中随机抽取粒子并对这些粒子进行幺正变换，这里的幺正变换是I，X，Y和Z中的任意一种；记录抽取粒子的位置信息和幺正变换的类型，然后发送方将S2序列的信息按每2bit一组编码在SA序列的剩余粒子上，并将编码序列SA发送给接收方；
步骤六，接收方完全收到序列SA后，发送方将抽取粒子的位置信息及其幺正变换的类型发送给接收方，接收方同时对SA与SB序列进行Bell基测量，通过核对抽取粒子，接收方将计算出SA序列传输中的错误率；
步骤七，如果抽取粒子的错误率小于安全阈值，则接收方对Bell基测量结果进行译码得到S1序列；否则，放弃此次通信；
步骤八，控制方将序列产生器的初始状态发送给接收方，接收方将产生的伪随机序列与S1序列进行异或，得到压缩序列；当S1序列长度小于伪随机序列周期时，默认在伪随机序列中从低位选取与S1序列等长的伪随机数；当S1序列长度大于伪随机序列周期时，默认每次按照与伪随机序列周期相等的长度对S1序列进行分组，然后将每个组与伪随机序列进行异或运算；
步骤九，接收方对压缩序列进行解压，得到发送方的原始信息。
进一步地，所述的步骤五中，四种幺正变换的形式分别为：
进一步地，所述的步骤五中，对S2序列编码的具体步骤如下：
奇序列So编码规则：当序列为00时，选择I门对量子态进行幺正变换；为01时，选择X门对量子态进行幺正变换；为10时，选择Y门对量子态进行幺正变换；为11时，选择Z门对量子态进行幺正变换；
偶序列Se编码规则：当序列为11时，选择I门对量子态进行幺正变换；为00时，选择X门对量子态进行幺正变换；为01时，选择Y门对量子态进行幺正变换；为10时，选择Z门对量子态进行幺正变换。
本发明与现有技术相比具有以下技术特点：
1.为了提高量子安全直接通信的传输效率就要尽可能减少量子态和经典比特的使用，本发明采用经典通信中的信源编码，利用霍夫曼编码对原始信息进行压缩，减少信源的冗余度和后续量子态的使用，从而提高通信传输效率。
2.控制方发送的仅仅只是序列产生器的初始态，而不是完整的伪随机序列，因此可减少经典比特的传输，提高传输效率。
附图说明
图1为本发明方法的流程图；
具体实施方式
本方案中，记通信的发送方和接收方分别为Alice和Bob，控制方为Charlie，窃听者为Eve，本发明的具体步骤介绍如下：
步骤一，Alice制备一串Bell态：
即EPR纠缠粒子对，并将其分成两组序列SA和SB，其中所有粒子“1”给序列SA，粒子“2”给序列SB；Alice和Bob设计相同的序列产生器，即线性反馈移位寄存器(linear feedback shift register,LFSR)的非线性组合结构，该结构具备不可逆性。本实施例中，序列产生器设计为n＝8级结构，此时Charlie设定序列产生器的初始状态。
LFSR的非线性组合结构设计规律为：设3个n级LFSR的输出序列分别为L1，L2，和L3，进行非线性组合后产生的伪随机序列L为：
则该伪随机序列的周期为p＝2n-1。
步骤二，Charlie将霍夫曼编码的初始状态发送给Alice，Alice对要发送的原始信息进行霍夫曼编码得到压缩序列。
步骤三，Charlie将所述序列产生器的初始状态通过安全的经典信道发送给Alice，Alice收到后利用序列产生器产生周期为2n-1＝255的伪随机序列；然后Alice将压缩序列和伪随机序列按照每255位进行异或，构成序列S1，之后将S1序列按照奇数位和偶数位分为奇序列So和偶序列Se，并按照So在前，Se在后拼接成序列S2。
其中，经典信道也为光纤信道，是一种高速网络技术标准(T11)，主要应用于SAN(存储局域网)。其拓扑结构分为三种，点到点、仲裁循环、交换结构，分为FC-5、4、3、2、1共5层，具有多种适配端口。
步骤四，Alice将序列SB发送给Bob，Bob从接收到的SB中随机抽取检测粒子进行单光子检测，并将测量结果、测量基信息和位置信息发送给Alice；Alice根据Bob发送的信息测量SA相对应位置的粒子，然后将自己的测量结果和Bob的测量结果对比：如果错误率小于安全阈值，则信道安全，继续执行步骤五；否则信道不安全，放弃此次通信；这里进行的第一次安全性检测的目的是确保信道安全性。
步骤五，当确定信道安全时，发送方在序列SA中随机抽取粒子并对量子态进行幺正变换(I，X，Y和Z)，记录抽取粒子位置信息和幺正变换的类型，然后发送方将S2序列的信息按每2bit一组编码在SA序列的剩余粒子上，并将编码序列SA发送给接收方。
幺正变换的四种形式分别为：
和
对S2序列中奇序列So和偶序列Se编码的具体步骤如下：
奇序列So编码规则：当序列为00时，选择I门对量子态进行幺正变换；为01时，选择X门对量子态进行幺正变换；为10时，选择Y门对量子态进行幺正变换；为11时，选择Z门对量子态进行幺正变换；
偶序列Se编码规则：当序列为11时，选择I门对量子态进行幺正变换；为00时，选择X门对量子态进行幺正变换；为01时，选择Y门对量子态进行幺正变换；为10时，选择Z门对量子态进行幺正变换。
步骤六，接收方完全收到序列SA后，发送方将抽取粒子的位置信息及其幺正变换的类型发送给接收方，然后接收方对SA与SB序列进行Bell基联合测量，通过核对抽取粒子，接收方将计算出SA序列传输中的错误率；这里进行的第二次安全性检测的目的是为了判断信息传输过程是否安全。
步骤七，如果抽取粒子的错误率小于安全阈值，则Bob对Bell基测量结果进行译码得到S1序列；否则，放弃此次通信。
步骤八，Charlie将序列产生器的初始状态发送给Bob，Bob将产生的伪随机序列与S1序列每255位进行异或，得到压缩序列；当S1序列长度小于伪随机序列周期时，默认在伪随机序列中从低位选取与S1序列等长的伪随机数；当S1序列长度大于伪随机序列周期时，默认每次按照与伪随机序列周期相等的长度对S1序列进行分组，然后将每个组与伪随机序列进行异或运算。
步骤九，由于霍夫曼编码的压缩是可逆且无失真的，所以Bob对步骤八中得到的压缩序列进行解压，即可得到Alice发送的原始信息。
以下是对本发明的安全性分析：
1.测量重发攻击
窃听者Eve随机选取测量基对捕获粒子进行测量,并将测量后的量子态发给Bob。测量Bell态粒子并重发引起的检测粒子错误率为1/4，若含有n个捕获粒子则窃听被检测到的概率为(1/4)n。显然n越小,窃听被检测到的概率就越大。
2.截获重发攻击
Eve捕获部分粒子,然后将自己提前准备好的量子态发给Bob。截获Bell态粒子并重发引起的检测粒子错误率为1/4，若含有n个捕获粒子则窃听被检测到的概率为(1/4)n。
3.拒绝服务攻击
当窃听者不窃取信息只是恶意破坏传输的量子态时，肯定会引起一定的干扰，这就使得合法通信双方发现窃听者的存在。
4.Charlie为非法控制方
在方案整个过程中，能获取到的也只不过是通信双方的经典信息，即检测粒子的测量结果，测量基信息和位置信息。即使Charlie将通信过程中自己拥有的伪随机序列和经典信息结合，也不能获取Alice或者Bob的其余信息，因为只有Alice和Bob知道编码规则。因此，Charlie不能对合法通信双方进行攻击。
以下是对本发明的效率分析：
从信息论角度定义量子密码协议的效率为：
其中bs为通信双方在通信中交换的有用信息比特数，qt为通信过程中的量子比特数，bt为通信过程中的经典比特数。
假设通信中传输的原始信息比特数为N，经过霍夫曼压缩编码后信息比特数为N1，则压缩率
因此经过霍夫曼编码后量子通信传输效率
而不经过霍夫曼压缩编码的量子通信传输效率
使用Matlab实验仿真程序随机生成长度为15的字符串“beeptbooptbeer！”，作为Alice发送的字符串信息序列。编码前字符串对应二进制序列:011000100110010101100101011100000111010001100010011011110110111101110000011101000110001001100101011001010111001000100001。编码前二进制序列有120位，编码后二进制序列只有40位。之后这40位的二进制压缩序列和伪随机序列异或运算，然后对异或序列进行量子态编码。计算出此时量子通信传输效率：
而不经过霍夫曼压缩编码时量子通信传输效率：
可以看出，经过霍夫曼压缩编码后传输效率得到了很大提高。
Claims (3)
1.一种基于霍夫曼压缩编码的受控量子安全直接通信方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，发送方制备一串Bell态，并将所述的Bell态分成两组序列SA和SB；发送方和接收方设计相同的序列产生器，此时控制方设定所述的序列产生器的初始状态；
步骤二，控制方将霍夫曼编码的初始状态发送给发送方，发送方对要发送的原始信息进行霍夫曼编码得到压缩序列；
步骤三，控制方将所述的序列产生器的初始状态通过经典信道发送给发送方，发送方收到后利用序列产生器产生伪随机序列；然后发送方将所述的压缩序列和伪随机序列进行异或，构成序列S1，之后将S1序列按照奇数位和偶数位分为奇序列So和偶序列Se，并按照So在前，Se在后拼接成序列S2；
步骤四，发送方将序列SB发送给接收方，接收方从接收到的SB中随机抽取检测粒子进行单光子检测，并将测量结果、测量基信息和位置信息发送给发送方；发送方根据接收方发送的信息测量SA相对应位置的粒子，然后将自己的测量结果和接收方的测量结果进行比对分析：如果错误率小于安全阈值，则信道安全，继续执行步骤五；否则信道不安全，放弃此次通信；
步骤五，当确定信道安全时，发送方在序列SA中随机抽取粒子并对量子态进行幺正变化，记录抽取粒子位置信息和幺正变换的类型，然后发送方将S2序列的信息编码在SA序列的剩余粒子上，并将编码序列SA发送给接收方；
步骤六，接收方收到序列SA后，发送方将抽取粒子的位置信息及其幺正变换的类型发送给接收方，然后接收方对SA与SB序列进行Bell基联合测量，计算出SA序列传输中的错误率；
步骤七，如果抽取粒子的错误率小于安全阈值，则接收方对Bell基测量结果进行译码得到S1序列；否则，放弃此次通信；
步骤八，控制方将序列产生器的初始状态发送给接收方，接收方将产生的伪随机序列与S1序列进行异或，得到压缩序列；当S1序列长度小于伪随机序列周期时，默认在伪随机序列中从低位选取与S1序列等长的伪随机数；当S1序列长度大于伪随机序列周期时，默认每次按照与伪随机序列周期相等的长度对S1序列进行分组，然后将每个组与伪随机序列进行异或运算；
步骤九，接收方对步骤八中得到的压缩序列进行解压，得到发送方发送的原始信息。
2.如权利要求1所述的基于霍夫曼压缩编码的受控量子安全直接通信方法，其特征在于，所述的步骤五中，幺正变换有四种，形式分别为：
3.如权利要求1所述的基于霍夫曼压缩编码的受控量子安全直接通信方法，其特征在于，所述的步骤五中，对S2序列编码的具体步骤如下：
奇序列So编码规则：当序列为00时，选择I门对量子态进行幺正变换；为01时，选择X门对量子态进行幺正变换；为10时，选择Y门对量子态进行幺正变换；为11时，选择Z门对量子态进行幺正变换；
偶序列Se编码规则：当序列为11时，选择I门对量子态进行幺正变换；为00时，选择X门对量子态进行幺正变换；为01时，选择Y门对量子态进行幺正变换；为10时，选择Z门对量子态进行幺正变换。
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