CN107528686A - 一种基于实际探测系统的与设备无关量子密码的生成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于实际探测系统的与设备无关量子密码的生成方法，发送端A和接收端B之间设置光源以产生纠缠光子对，当发送端A、接收端B接收到对应的光子后，均对接收到的光子随机地实施操作，然后发送端A、接收端B分别以概率p、概率1‑p选择信号模式和检测模式；在信号模式下，直接对操作过后的脉冲随机地在码产生基上或者在Bell基上进行测量，并且根据之前的操作对测量结果的比特值进行翻转；最后通过发送端A和接收端B公布它们每一个光脉冲的用途，并且选择出密码串进行码产生或者进行Bell测试，生成最终的安全密钥。本发明可以让与测量无关量子密码在低效率探测装置下使用，而且不用担心探测器的效率。

Description

一种基于实际探测系统的与设备无关量子密码的生成方法
技术领域
本发明涉及量子密码通信领域，特别是一种基于实际探测系统的与设备无关量子密码生成方法。
背景技术
随着经济、金融和国防等领域对安全性要求的提高，量子密码正慢慢从实验室进入这些领域。然而相比之下，人们对量子密码领域方面人才的数量和质量要求也日益提高，如何让量子密码用户在不需要考虑密码装置内部运作的情况下获取安全的密码是量子密码推广的前提。
与设备无关量子密码可以让密码用户无需考虑量子密码装置的缺陷而产生无条件安全的密码，但是由于与设备无关量子密码的安全性基于无漏洞Bell实验的基础之上的，对测量装置的探测效率要求非常高，在目前的条件无法大规模推广，甚至在实验室里实施起来也非常困难。如何在低探测效率的条件下实施与设备无关量子密码是该方案应用于各行业中的先决条件。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于实际探测系统的与设备无关量子密码的生成方法，用以解决现有方法对低探测条件和设备要求较高的问题。
为实现上述目的提供，本发明的方案包括：
一种基于实际探测系统的与设备无关量子密码的生成方法，步骤如下：
(1)发送端A和接收端B之间设置光源以产生纠缠光子对，其中一个光子发送给发送端A，另一个光子发送给接收端B；
(2)当发送端A、接收端B接收到对应的光子后，均对接收到的光子随机地实施σxσz或单位算符操作，然后发送端A以概率p选择信号模式，以概率1-p选择检测模式；接收端B以概率p选择信号模式，以概率1-p选择检测模式；
在信号模式下，直接对操作过后的脉冲随机地在码产生基上或者在Bell基上进行测量，如果它们在脉冲上操作了σxσz，则对测量结果的比特值进行翻转，否则不翻转；
在检测模式下，在脉冲上用Hadamard算符或单位算符进行操作，然后对测量结果在码产生基上或者Bell基上进行测量；
(3)发送端A和接收端B公布它们每一个光脉冲的用途，并且选择出密码串进行码产生或者进行Bell测试；如果有不正常的结果，则放弃它们的通讯；
(4)如果它们的通讯没有被放弃，则对密码串进行错误纠正和秘密放大，从而生成最终的安全密钥。
进一步的，接收端A的码产生基为A1K，A2K；接收端B的码产生基为B1K，B2K。
进一步的，接收端A的Bell基为A1B，A2B，接收端B的Bell基为B1B，B2B。
进一步的，步骤(3)中，根据误码率和CHSH多项式判断结果是否正常。
按照本领域的习惯，发送端A为Alice，接收端B为Bob，窃听者为Eve。
当通讯双方的探测设备探测效率较低时，就可能使得量子密码的安全性无法再通过Bell定理来保证。基于目前的实验结果，局域隐变量可以被排除，但是人为因素依然可以通过探测效率的漏洞对与测量设备无关量子密码进行攻击。
本发明中，通过Alice和Bob对其接收到的脉冲进行一系列操作，在CHSH不等式能够最大冲突的情况下，此系列操作可以保证通讯双方的信号载体被限制在二维平面内，因而可以视为量子比特。同时，在Bell不等式最大冲突的情况下，Alice和Bob的操作可以保证它们之间的信息载体能够处于最大的两体纠缠态上。根据量子纠缠的单配性，Alice和Bob的信号源跟量子信道是安全的；然而当Alice和Bob对它们接收到的信号脉冲进行测量的时候，相关的理论和实验告诉我们，如果Alice和Bob不能有效地控制它们的测量设备的话，它们的通讯可能遭受到探测器测信道泄漏问题。
因此，本发明中窃听者Eve不能通过测量来判断Alice和Bob的Bit值，或者即使能够窃听Alice和Bob之间的通讯也可以通过经典通讯来发现Eve的存在，从而保证了与设备无关量子密码在实际探测装置的情况下、在不考虑量子装置的内部结构和工作原理的情况下依然能够产生无条件安全的密码串。
具体实施方式
下面对本发明做进一步详细的说明。
(1)Alice和Bob之间放置一个参量下转换光源，纠缠光子对从其中产生，其中一个光子发送给Alice，另一个光子发送给Bob；
(2)当Alice接收到它得光子后，对接收到的光子随机地实施σxσz或单位算符操作，然后Alice以概率p选择信号模式，以概率1-p选择检测模式；
当Bob接收到它的光子后，对接收到的光子随机地实施σxσz或单位算符操作，然后Bob以概率p选择信号模式，以概率1-p选择检测模式；
(2a)在信号模式下，Alice直接对操作过后的脉冲(即光脉冲)随机地在码产生基(A1K，A2K)上或者在Bell基(A1B，A2B)上进行测量，如果它们在脉冲(即光脉冲)上操作了σxσz，则对测量结果的比特值进行翻转，否则什么都不做；
在信号模式下，Bob直接对操作过后的信号脉冲随机地在码产生基(B1K，B2K)上或者在Bell基(B1B，B2B)上进行测量，如果在脉冲上操作了σxσz，则对测量结果的比特值进行翻转，否则什么都不做；
(2b)在检测模式下，Alice进一步在它的脉冲上用Hadamard算符或者单位算符进行操作，然后对测量结果在上述的码产生基上或者Bell基上进行测量。
在检测模式下，Bob进一步在它的脉冲上用Hadamard算符或单位算符进行操作，然后对测量结果在上述的码产生基上或者Bell基上进行测量。
(3)Alice和Bob公布它们每一个脉冲的用途，并且选择出密码串进行码产生或者进行Bell测试。如果有不正常的结果，它们将放弃它们的通讯。
在实际的量子密码通讯过程当中，如果没有窃听者，误码率是非常小的。一般的情况下是不需要考虑误码率的，直接由发送端根据自己的密码串发送一个纠错矩阵，接收端对自己的串进行纠错就可以了。根据信息熵计算结果，如果误码率比较小，通讯双方是可以产生安全密码串的，如果误码率比较大则不能产生密码串。因此临界值就是是否有安全密码串可以产生，结果正常是指误码率必须少于该临界值，同时它们的Clauser-Horne-Shimony-Holt(CHSH)不等式必须最大化)。
(4)如果它们的通讯没有被放弃，它们将对它们初选密码进行错误纠正和秘密放大，从而生成最终的安全密钥。
以上方案，可以让与测量无关量子密码在低效率探测装置下使用，并能成功检测窃听者Eve的所有攻击。而且不用担心探测器的效率，因为方案中只有被标记的光子可以用来计算CHSH多项式。Alice和Bob无需考虑量子装置的内部结构和实施方式，密码的安全性完全通过经典值误码率和CHSH多项式的值来保证。
以上给出了本发明涉及的具体实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。在本发明给出的思路下，采用对本领域技术人员而言容易想到的方式对上述实施例中的技术手段进行变换、替换、修改，并且起到的作用与本发明中的相应技术手段基本相同、实现的发明目的也基本相同，这样形成的技术方案是对上述实施例进行微调形成的，这种技术方案仍落入本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于实际探测系统的与设备无关量子密码的生成方法，其特征在于，步骤如下：
(1)发送端A和接收端B之间设置光源以产生纠缠光子对，其中一个光子发送给发送端A，另一个光子发送给接收端B；
(2)当发送端A、接收端B接收到对应的光子后，均对接收到的光子随机地实施σxσz或单位算符操作，然后发送端A以概率p选择信号模式，以概率1-p选择检测模式；接收端B以概率p选择信号模式，以概率1-p选择检测模式；
在信号模式下，直接对操作过后的脉冲随机地在码产生基上或者在Bell基上进行测量，如果它们在脉冲上操作了σxσz，则对测量结果的比特值进行翻转，否则不翻转；
在检测模式下，在脉冲上用Hadamard算符或单位算符进行操作，然后对测量结果在码产生基上或者Bell基上进行测量；
(3)发送端A和接收端B公布它们每一个光脉冲的用途，并且选择出密码串进行码产生或者进行Bell测试；如果有不正常的结果，则放弃它们的通讯；
(4)如果它们的通讯没有被放弃，则对密码串进行错误纠正和秘密放大，从而生成最终的安全密钥。
2.根据权利要求1所述的一种基于实际探测系统的与设备无关量子密码的生成方法，其特征在于，接收端A的码产生基为A1K，A2K；接收端B的码产生基为B1K，B2K。
3.根据权利要求1所述的一种基于实际探测系统的与设备无关量子密码的生成方法，其特征在于，接收端A的Bell基为A1B，A2B，接收端B的Bell基为B1B，B2B。
4.根据权利要求1所述的一种基于实际探测系统的与设备无关量子密码的生成方法，其特征在于，步骤(3)中，根据误码率和CHSH多项式判断结果是否正常。
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