CN107707349B - 基于量子纠缠交换的无人船密钥分发方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种基于量子纠缠交换的无人船密钥分发协议。相较于现有的技术，本发明基于量子力学中量子不可克隆原理及量子纠缠特性，来实现海上无人船的安全通信。鉴于海上能见度低及风浪等天气影响，本发明中采取了量子中继的密钥分发体系结构，实现了海上无人船的远距离安全通信。该发明在无人船中设立了量子纠缠交换模块，它含有多个Bell基测量单元，以完成无人船间的量子纠缠交换，成为中继无人船。各无人船通过该中继作用便可实现任意两个无人船间以及无人船与控制中心间的量子信道的建立，最终获取绝对安全的密钥，为无人船在民用领域及军用领域提供远距离安全可靠的通信。

Description

基于量子纠缠交换的无人船密钥分发方法
技术领域
本发明涉及一种基于量子通信的无人船密钥分发方法技术，尤其是一种基于量子纠缠交换的无人船密钥分发方法。
背景技术
在量子通信领域，密钥分发技术是该领域中最令人关注、创造性思维最为活跃的热门话题。
例如，中国专利CN107294960A公开了一种软件定义网络控制通道的安全保障方法及在软件定义网络中部署量子密钥层的方法，其主要技术方案是在软件定义网络的控制层和数据层之间部署的量子密钥层，保障软件定义网络控制通道的安全；由量子密钥层基于量子密钥分发技术提供量子密钥资源，由控制器分配量子密钥资源并结合一次一密的加密算法进行加密，从而使软件定义网络控制通道所需的量子密钥资源由量子密钥分发技术提供，控制通道中的控制信令由一次一密的加密算法进行加密，保证了软件定义网络控制通道理论上的绝对安全。
还有，中国专利CN107171792A公开了一种虚拟密钥池及量子密钥资源的虚拟化方法，该方法包括：根据用户的需求将量子密钥池中的量子密钥资源进行划分，并虚拟化，获得与用户对应的虚拟密钥池。其技术手段是根据用户的需求将量子密钥池中的量子密钥资源进行划分，并虚拟化，获得与用户对应的虚拟密钥池，并且在对虚拟密钥池中的虚拟量子密钥资源进行操作时，根据映射关系对对应的量子密钥池中的量子密钥资源进行操作。一方面，不同的用户可以通过对应的虚拟密钥池利用量子密钥资源，从而使量子密钥资源得到了较大程度的共享；另一方面，更多的用户能够利用量子密钥资源，尽可能地避免了部分量子密钥资源长期不能被利用，从而提高了量子密钥资源的利用率。
再有，中国专利CN107196758A公开了一种基于量子密钥分发的单光子探测方法，包括用于产生信号光以及同步光的单光子发射器，产生的同步光经过发射端中央处理器生成同步时钟信号后并通过同步信号光纤传送至接收端，同步时钟信号作为接收端单光子探测器的探测基时钟对单光子信号进行探测，在同步光经过发射端中央处理器生成同步时钟信号的过程中，对同步时钟信号进行延时处理，同步时钟信号延时时长至单光子探测器可探测单光子信号为准。该公开文献的特点是通过对同步信号进行相位切换和分段延时扫描的方式达到单光子信号的整周期延时，在同步时钟信号延时过程中摒弃了能做到几十纳秒的延时的高价格芯片，同时也摒弃了普通芯片级联的方式，不仅降低了成本，也降低了系统的冗杂度。
又有，中国专利文献CN106899407A公开了一种远距离量子通信网络的设计方法，包括以下步骤：建立量子密钥分发层，构成量子网络；量子节点之间在量子密钥分发层建立量子路径；将经典通信与量子密钥分发层相结合；发送端和中间节点做相应的Bell基测量；发送端和中间节点将获取的经典信息直接传输到接收端；接收端进行幺正变换恢复成初始量子信息。该技术方案能够很好的实现任意远距离量子网络，传输量子信息，无需辅助粒子，具有简单易操作、延时少、节约成本、可扩展等优点，使得量子通信网络的应用更广泛。
然而，随着无人驾驶汽车和无人机的发展和应用，以及人工智能等技术的不断革新，尤其是面对船舶航速低，海上搜救困难，海洋环境防污染保障系统不健全，以及军事上侦查反潜，精确打击等任务的高性能需求，无人船以其体积小，作业灵活的优点成为海上船舶智能化的发展方向。同时，随着海上作业范围增大及多任务需求的增加，多无人船协同作业已经成为未来世界各国船舶发展的研究热点。
相对的，在海上通信中，由于海域辽阔，受风浪等天气影响大，如何保障通信双方的远距离安全可靠通信，是海上无人船应用的重中之重。而量子通信又能够提供一种在理论上绝对安全的保密通信系统，因此如何结合量子力学中量子不可克隆原理和量子纠缠效应实现海上无人船与控制中心之间及无人船艇之间的远距离安全通信是本专利的主要发明内容。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于量子纠缠交换的无人船密钥分发方法。该协议在无人船中设立了量子纠缠交换模块，通过纠缠交换，实现远距离的量子信道建立，使该系统中任意两个无人船可以安全的共享密钥。
为此，本发明解决所述问题的技术方案是：一种基于量子纠缠交换的无人船密钥分发方法，包括如下步骤：选择无人船A和远距离无人船B进行通信，协商A和B之间的一艘无人船作为中继无人船C，并且：
S1：在中继无人船中设立量子纠缠交换模块，指定通信双方，由所述通信双方向中继无人船发送建立量子信道请求；
S2：通信双方各自制备一组有序量子纠缠对；
S3：双方从各自的所有纠缠态序列中各去除一个量子比特按顺序组成一个量子比特序列，然后发送给中继无人船，用来检测量子信道安全及完成量子纠缠交换；
S4：中继无人船的量子纠缠交换模块进行Bell测量完成量子纠缠交换，并将测量的纠缠态结果发送给通信发起者，完成通信双方量子信道的建立；
S5：检测量子信道是否安全；
S6：产生密钥。
进一步地，在实现所述通信双方纠缠过程中的所述量子纠缠交换模块，是由量子接入单元、量子存储单元、量子纠缠对制备单元、包括直角基和对角基在内的单光子测量单元、Bell基测量选择单元、Bell基测量单元、辅助信息单元组成。
进一步地，所述的量子接入单元负责接收分发过来的处于纠缠态的光子。
进一步地，所述的量子存储单元负责将接收到的光子储备起来，以备单光子测量或Bell基测量。
进一步地，所述的量子纠缠对制备单元可以产生处于纠缠态的量子对，并可以将量子对分发出去。
进一步地，所述的单光子测量单元包括直角基测量和对角基测量，配合辅助信息单元，用来验证量子信道是否安全。
进一步地，所述的Bell基测量选择单元和Bell基测量单元负责Bell基测量单元的选取，Bell基测量单元完成纠缠交换，建立量子信道。
进一步地，所述辅助信息单元负责接收和发送测量结果、测量基选择信息等经典辅助信息，用以验证量子信道是否安全。
进一步地，所述纠缠过程为：若制备的量子纠缠对的初态分别为
Figure GDA0002601614860000051
和
Figure GDA0002601614860000052
则纠缠交换后的结果为
Figure GDA0002601614860000053
进一步地，在所述纠缠过程中对发送过来的量子对进行Bell测量，完成纠缠交换，若Bell测量结果为|φ-＞23，则剩余量子即变成纠缠态|ψ-＞14。
相较于现有技术，本发明的有益效果是：将量子通信原理引入到无人船通信中，降低了海上无人船通信被窃听的可能性。并且采取了量子中继的密钥分发体系结构，解决了海上自然环境差、能见度低等导致的通信距离短的问题，为无人船在情报收集、侦查、定位打击等军用作战任务以及海上执法所需的无人监控管理等海事应用提供安全可靠的远距离通信。
附图说明
图1为本发明基于量子纠缠交换的无人船密钥分发方法的流程图。
图2为本发明量子纠缠交换模块的组成单元。
图3为本发明纠缠交换结果对照表。
具体实施方式
量子通信的核心是量子密钥分发技术，本发明基于中继交换的思想，提出一种基于量子纠缠交换的无人船量子密钥分发协议。为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
首先，无人船A和远距离无人船B(或指挥控制中心)进行通信，协商A和B之间的一艘无人船作为中继无人船C，并通知C建立量子信道，若C有空闲的Bell基测量单元，则通知A和B可以开始建立量子信道。
A和B的量子纠缠对制备单元均制备一个长为L的纠缠对随机序列，该序列长度大于所需密钥的长度，且对于每一个纠缠对，均为
Figure GDA0002601614860000061
或者
Figure GDA0002601614860000062
这个随机生成的状态即为A和B的初始态，并将该结果保存到各自的辅助信息单元。
A和B分别从各自的每一个纠缠态序列中各去除一个量子比特组成一个量子比特序列，并各自保持原有顺序，然后发送给中继无人船C。A和B将剩余的量子比特序列有序存储到各自的量子存储单元中，分别记为AL序列和BL序列。
中继无人船C将接收到的量子比特序列存储到量子存储单元中，并分别标记为C-A序列和C-B序列，通过Bell基测量选择单元接入到空闲的Bell基测量单元，对C-A序列和C-B序列中相对应的量子对进行一系列Bell测量后，将结果保存到辅助信息单元，然后将结果发送给A。在测量之后，A和B所存储的AL序列和BL序列将形成纠缠对序列，A和B之间的量子信道也就通过纠缠交换建立起来。
量子信道建立后，进行安全检测。B从存储的量子比特序列中随机选择P个位置(L-P>密钥长度)发送给单光子测量单元进行测量，该测量基随机选择直角基和对角基，并把所选P个量子比特的位置信息及测量基信息保存到辅助信息模块，然后将位置、测量基、测量结果及初始纠缠对序列信息发送给A。A将收到的信息保存到辅助信息单元中，并对AL序列相应位置的量子比特信息执行相应的基测量。A根据中继无人船C发送过来的测量结果及A和B的初始序列状态，再结合自己的测量结果，就可以推断出B的测量结果。如A和B的初始状态系统为
Figure GDA0002601614860000071
C的测量结果为|φ-＞23，那么A和B剩余量子比特即处于共享纠缠态|ψ-＞14，若A的测量结果为0，则推断B的测量结果为1，反之亦然。之后，A将自己的推断结果和B发送过来的结果进行比较，根据误码率就可以确定A和B之间的量子信道是否安全。
确定A和B之间的量子信道安全之后，将这P个位置的量子比特从纠缠对序列中删除，同时更新辅助信息单元的记录，用两者之间剩下的(L-P)个纠缠对来产生密钥。因为只有A拥有足够的信息(A和B初始序列信息和中继无人船C测量结果信息)，根据表1便可知道A和B所共享的纠缠对信息。B随机用直角基或对角基测量剩下的BL-P序列，其测量结果就构成了密钥，并将测量基信息发送给A。随后A也在相应测量基上测量剩下的AL-P序列，它根据所掌握的纠缠态的信息结合测量结果就可以推断出B的结果，即密钥。
本发明可以实现海上无人船远距离安全可靠通信，引入量子密钥分发协议，降低了通信中被窃听的可能性，并且设计了量子纠缠交换模块，可以更好地解决因海上自然环境差、能见度低等因素造成的通信距离短问题，为无人船通信领域的研究和发展提供了新的思路和方法。
特别需要指出，对于本领域的普通技术人员来说，在本发明的教导下所作的针对本发明的等效变化，仍应包含在本发明申请专利范围所主张的范围中。

Claims (10)

1.一种基于量子纠缠交换的无人船密钥分发方法，其特征在于，包括如下步骤：选择无人船A和远距离无人船B进行通信，协商A和B之间的一艘无人船作为中继无人船C，并且：
S1：在中继无人船中设立量子纠缠交换模块，指定通信双方，由所述通信双方向中继无人船发送建立量子信道请求；
S2：通信双方各自制备一组有序量子纠缠对；
S3：双方从各自的所有纠缠态序列中各去除一个量子比特按顺序组成一个量子比特序列，然后发送给中继无人船，用来检测量子信道安全及完成量子纠缠交换，A和B将剩余的量子比特序列有序存储到各自的量子存储单元中，分别记为AL序列和BL序列；
S4：中继无人船的量子纠缠交换模块进行Bell测量完成量子纠缠交换，并将测量的纠缠态结果发送给通信发起者，完成通信双方量子信道的建立；
S5：检测量子信道是否安全；
S6：产生密钥；
所述S5具体包括如下步骤：B从存储的量子比特序列中随机选择P个位置发送给单光子测量单元进行测量，该测量基随机选择直角基和对角基，并把所选P个量子比特的位置信息及测量基信息保存到辅助信息模块，然后将位置、测量基、测量结果及初始纠缠对序列信息发送给A；A将收到的信息保存到辅助信息单元中，并对AL序列相应位置的量子比特信息执行相应的基测量；A根据中继无人船C发送过来的测量结果及A和B的初始序列状态，再结合自己的测量结果，推断出B的测量结果，具体地，A和B的初始状态系统为
Figure FDA0002601614850000021
C的测量结果为|φ->23，那么A和B剩余量子比特即处于共享纠缠态|ψ->14，若A的测量结果为0，则推断B的测量结果为1，反之亦然；之后，A将自己的推断结果和B发送过来的结果进行比较，根据误码率就可以确定A和B之间的量子信道是否安全。
2.根据权利要求1所述的一种基于量子纠缠交换的无人船密钥分发方法，其特征在于：实现所述通信双方纠缠过程步骤的所述量子纠缠交换模块，由量子接入单元、量子存储单元、量子纠缠对制备单元、包括直角基和对角基在内的单光子测量单元、Bell基测量选择单元、Bell基测量单元、辅助信息单元组成。
3.根据权利要求2所述的基于量子纠缠交换的无人船密钥分发方法，其特征在于：所述的量子接入单元负责接收分发过来的处于纠缠态的光子。
4.根据权利要求2所述的基于量子纠缠交换的无人船密钥分发方法，其特征在于：所述的量子存储单元负责将接收到的光子储备起来，以备单光子测量或Bell基测量。
5.根据权利要求2所述的基于量子纠缠交换的无人船密钥分发方法，其特征在于：所述的量子纠缠对制备单元可以产生处于纠缠态的量子对，并可以将量子对分发出去。
6.根据权利要求2所述的基于量子纠缠交换的无人船密钥分发方法，其特征在于：所述的单光子测量单元包括直角基测量和对角基测量，配合辅助信息单元，用来验证量子信道是否安全。
7.根据权利要求2所述的基于量子纠缠交换的无人船密钥分发方法，其特征在于：所述的Bell基测量选择单元和Bell基测量单元负责Bell基测量单元的选取，Bell基测量单元完成纠缠交换，建立量子信道。
8.根据权利要求2所述的基于量子纠缠交换的无人船密钥分发方法，其特征在于：所述辅助信息单元负责接收和发送测量结果、测量基选择信息等经典辅助信息，用以验证量子信道是否安全。
9.根据权利要求2所述的基于量子纠缠交换的无人船密钥分发方法，其特征在于：所述纠缠过程为——若制备的量子纠缠对的初态分别为
Figure FDA0002601614850000031
和
Figure FDA0002601614850000032
则纠缠交换后的结果为
Figure FDA0002601614850000033
10.根据权利要求9所述的基于量子纠缠交换的无人船密钥分发方法，其特征在于：在所述纠缠过程中对发送过来的量子对进行Bell测量，完成纠缠交换，若Bell测量结果为|φ->23，则剩余量子即变成纠缠态|ψ->14。
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