CN108234117A - 用于量子增强物理层安全性的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种自由空间密钥分发方法，包括基于物理层窃听信道模型在发射器(100)和接收器(200)之间交换信息，该方法包括以下步骤：在发射器(100)处随机地准备(710)利用两个可能的不同量子态之一编码的一个量子比特；通过物理层量子增强窃听信道(500)将编码的量子比特发送(720)到接收器(200)，使得窃听所述信道的窃听器(300)仅被提供有关于所述量子态的部分信息；检测和测量(730)所接收的量子态；通过经典信道在发射器和接收器之间进行密钥筛选(740)；基于检测和接收的量子态计算任何窃听器(300)可用的信息量。

Description

用于量子增强物理层安全性的装置和方法
技术领域
本发明涉及自由空间光通信，更具体地涉及使用自由空间光量子信道的通信的安全性及其相关方法。
背景技术
自由空间光通信(FSO)是一种光通信技术，其利用自由空间中传播的光来为电信或计算机网络无线传输数据。
“自由空间”是指光以直线传播的空气、外太空、真空或类似的东西。
这不同于引导的光学器件，诸如光纤或更一般地光波导(其中光由波导引导和导向)。自由空间技术在物理连接由于高成本或其他考虑而不切实际的情况下非常有用。
像任何其他类型的通信一样，自由空间光通信需要安全性来防止窃听。当研究自由空间光通信的不同安全手段时，可以看到已经研究了几种解决方案，以便提供一种使发射器和接收器能够通过FSO共享秘密信息的解决方案。常见的解决方案是基于通过FSO信道交换秘密密钥。在交换之后，这些密钥用于以安全的方式(例如通过加密)交换消息。
通常，在FSO密钥交换中，可以考虑两种窃听方案。两者都在图1中示出。
在第一场景中，Eve1 300位于发射器100和接收器200之间的光路上；因此Eve1300可以截取光信号并且将可能修改的光信号重新发送到接收器200。这称作主动场景。在第二种情况下，Eve2 305受限于提取从发射器100向接收器200发送的一部分光信号的能力。在这种情况下，窃听器(Eve2 305)不能向接收器200重发任何光信号。这称作被动场景。请注意，限制窃听器活动的主动和被动场景之间的区别只能在物理层进行。被动场景中的通信信道被称为窃听信道，由Wyner首次引入。然而，窃听信道的概念后来被Czisar和Korner扩展到更抽象的层面。在他们的情况下，窃听信道是一个抽象模型，包括任何三方信道(发射器、接收器和窃听器)，对窃听器没有限制。在这个抽象模型中，窃听信道包括两个独立的信道，一个在发射器和接收器之间，一个在发射器和Eve之间。这个模型再次被扩展到量子窃听信道，其中通信信道传输量子态(参考：Igor Devetak，Quantum privacy andquantum wiretap channels，Cai，N.，Winter，A.&Yeung，R.W.，Quantum Information：AnIntroduction Par Masahito Hayashi)。在抽象层面上的这些模型都不对Eve的能力做任何假设，因此涵盖被动和主动的场景。在下文中，由于我们的目标是区分主动和被动场景，我们将采用原始的Wyner术语，其中窃听信道是物理通信信道，其将Eve的能力限于被动窃听的能力。
在过去的几十年中，为了克服这两种情况下的窃听，已经开发了解决方案。
QKD是允许在主动场景中交换秘密密钥的防议。在QKD协议中，两个用户之间的通信信道被称为量子信道。量子信道是一种通信信道，以保存其量子特性的方式传输量子粒子，通常是光子。有两组参数用于量子编码。一个是光子的极化，另一个是相位，需要使用干涉仪。取决于量子信道的物理层和QKD协议的类型，两者都有其优点和缺点。
QKD背后的基本思想是允许窃听器截取信号并以任何与量子力学兼容的方式进行处理。尽管如此，被称为发射器和接收器的合法用户仍然可以交换安全密钥。
最为人熟知的QKD协议是基于四个不同的量子态的BB84协议，在Bennett&Brassard，1984中有所解释。其他几个协议已经被发明，例如：
·E91，基于纠缠；
·B92，仅基于两个量子态，但需要干涉检测；
·以及COW，使用相位参数的变体，并使用检测时间进行编码。
所有这些协议都基于单光子通过量子信道的传输，被称为离散变量QKD或DV-QKD。它们要求在接收器端使用单光子检测器。为了减轻这种需求，已经提出并演示了另一种称为连续变量QKD或CV-QKD的QKLD。CV-QKD通常与相位参数一起使用。
ID Quantique开发了分布在光纤上的地面QKD的商业系统。在地面QKD的所有实际实现中，用于量子编码的参数是相位或COW协议的相关时序参数。原因在于，由于光纤中的极化不守恒，极化方案需要复杂且昂贵的部件。另一方面，干涉检测更容易在单模光纤中实现，这是地面QKD的首选媒介。
地面QKD最严格的限制之一是距离限制。由于光波导中不可避免的损耗和光放大器不能用于量子信道的事实，发射器和接收器之间的距离在商业设置中被限制在约几百公里，在学术实验中被限制在最大三百公里。因此，为了增加距离范围，已经提出了FSO QKD，其中量子信道是自由空间，其不具有相同的损耗限制。
最近，已经研究了FSO QKD，以便在自由空间中安全地在发射器和接收器之间交换密钥，典型地在卫星或飞行无人机与地面站之间。作为例子，US9306740公开了一种用于QKD望远镜的设备；US20100166187公开了使用高空平台执行QKD的系统。还有一些研究工作已经完成，表明大气连续变量QKD的实施(Heim&al.，2014)或者证明了自由空间QKD的可行性(Elser&al.，2009)。
尽管FSO QKD的原理已经在学术上被论证，但这仍然是一个具有挑战性的论证。与地面QKD相比，相位在自由空间中更难以使用。事实上，由于大气失真，波的波阵面在传播过程中失真，这导致接收器处的较差干扰。通过使用自适应光反射镜可以改善这一点。但是，这大大增加了系统的成本和复杂性。在自由空间中，极化是守恒的，这使得基于极化的系统更具吸引力。但是，由于接收器相对于发射器的移动，在卫星通过期间光子的极化是变化的，这需要复杂的极化补偿分量。因此，上面提到的每个可能的协议和方案都有一些严重的缺陷，这使得它们的实现具有挑战性：
·BB84，通常基于自由空间中的极化，需要四种不同极化态的产生、补偿和跟踪；
·E91，可以基于极化或相位，需要复杂的纠缠粒子源；
·B92，仅需要两种不同状态，不能仅用极化来实现，并且需要干涉检测，这在自由空间应用中不是直接的；
·COW协议确实需要如上所述的针对窃听器的干涉检测；
·CV-QKD系统也依赖于相位，并需要干涉检测。
FSO QKD的另一个困难(对于地面QKD不存在，其中信道完全位于光波导内，几乎没有外部世界的影响)是杂散光的存在。实际上，将自由空间信道与外部光隔离是一项具有挑战性的任务，特别是对于高损耗信道，例如低地球轨道卫星的800km长的信道。因此，能够保持密钥交换的安全性同时将通信信道的功率水平提高到QKD系统所需的水平之上是有利的。应该注意的是，在QKD系统的情况下，用于确定信道是否具有足够好的信噪比的参数被称为量子误比特率(QBER)。这个参数在某种程度上是信噪比的倒数。QBER值由QKD系统测量。当QBER值高于预定义的阈值时，QKD系统不能从量子比特交换生成任何秘密密钥。QBER值越高，相对于信号速率的错误率越大。错误率的增加可能是由于量子信号的减小，或者由于一些QKD系统参数的修改(例如，修改光学系统的对准的温度系统波动，或者QKD接收器中的单光子检测器的固有噪声的改变)或窃听尝试。
考虑到这一背景，现有的FSO QKD解决方案面临许多技术问题和限制。为了实现更简单、更便宜、更安全的传输系统，限制窃听器的能力的物理层(经典或量子)窃听信道模型是令人感兴趣的。在这个模型中，有必要相信窃听器不能直接拦截传输。在发射器和接收器处于视距范围的自由空间中，这是一个合理的假设。
作为例子，为了防止根据第一种场景的窃听，雷达150已经被开发和使用，以便检测在覆盖发射器100和接收器200之间的光信道的区域中的窃听器的侵入。此外，根据第一种场景，窃听器Eve1很难与发射器100和接收器200完全对准，即正好在连接发射器100和接收器200的路径中，因为发射器100和Eve1应该具有相同的速度和相同的方向从而在同一个轨道上。最后，为了拦截和重新发射波束，窃听器需要有两个不同的望远镜，一个指向发射器，另一个指向接收器，两个望远镜的准确度足以保证光学系统的锁定。
因此，认为窃听器物理上在发射器和接收器之间的第一种场景很可能不会发生，而且即使发生了，也可以通过使用雷达来检测到。物理层窃听信道场景代表了满足大多数FSO通信窃听情况的条件的场景。
物理层窃听信道是专用于物理层安全的研究流的一部分。物理层安全最近已成为一种新兴技术，可以补充和显着提高无线网络的通信安全性。与算法密码方法相比，物理层安全是一个根本不同的范例，其中通过利用通信系统的物理层属性(如热噪声，干扰和衰落信道的时变特性)来实现保密。
在图1所示的物理层窃听信道模型中，合法用户(即发射器100和接收器200)的目标是通过主信道进行通信，同时确保窃听器Eve2305不能获得从被窃听信道的输出获得所交换信息的任何信息，或者至少不能提取使得能够获得信息的信号。Wyner奠定了这种情况的基本理论框架。主要假设是，如果从发射器到窃听器的信道是从发射器发送到合法接收器的信道的降级版本，则通过牺牲消息速率的一部分可以实现非零保密率。在这种情况下，“降级”应该被理解为噪音较大。最近，Maurer和Wolf重新审视了Wyner物理层窃听信道，他们表明，即使窃听信道不是降级版本，也就是说，如果Eve比发射器和接收器噪音更少，非零保密率仍然可以实现，只要假设Eve和接收器之间的噪声独立。为了导出秘密信息，发射器和接收器必须知道窃听信道上的噪声。
从这一场景的角度来看，最近的许多理论研究(Lopez-Martinez&al.，2015)，(Wang&al.，2014)，(Sun，2016)和(Sasaki&al.，2016)分析了噪声对窃听器提取的信号的影响，该窃听器具有利用光信号强度在100mW范围的光经典信号的设置。
因此，通过关于Eve2 305噪声信道和其信号提取能力的一些假设，可以使发射器和接收器能够通过FSO信道以安全的方式交换信息，例如密钥。
但是，这种技术需要对Eve2 305的噪声水平和信号提取能力进行假设。Eve的检测器上的噪声必须有下界，而且必须知道这个界。这是相当有问题的，因为人们永远无法确定Eve2具有何种质量的检测器。
因此，迫切需要一种系统和方法，其提供关于物理层窃听信道场景的安全的FSO通信，并且不依赖于对窃听器的技术限制。
因此，本发明的目的是提供系统和方法，该系统和方法提供安全的FSO通信，其不依赖于对窃听器的技术限制。
发明内容
通过将物理层窃听信道假设(窃听器限于侦听)和使用简单的量子信道相结合，这将通过量子力学的原理来限制可用于Eve的信息量，从而达到这个目的。这种类型的通信信道将被称为量子增强窃听信道。
所提出的发明提供了一种系统和方法，使得能够在物理层窃听信道场景的上下文中通过FSO通信交换安全密钥，而不需要任何关于Eve的从发射器和接收器之间的光信道提取数据的能力的假设，并且不需要基于QD系统所需的复杂和昂贵的实现。下面的说明详细描述了使用的设备和方法。
所公开的发明是一种基于窃听信道模型的自由空间密钥分发的方法，其中信道传输量子态，使得窃听器可以提取的信息受到量子力学原理的限制。
更具体地说，本发明的系统和方法基于：
·发射器具有随机编码两个量子态并将其发送给接收器的能力。根据本发明的具体实施例，这些状态可以是单光子或弱相干态，只有少量光子。编码可以用极化、时间段(time bin)或其他参数来完成。尽管我们仅提供了一些实施例，但是也可以使用其他类型的量子态和编码。
·物理层量子增强的窃听信道，其将这些态传送给接收器。窃听信道假设是窃听器可以收集部分量子态，但不能拦截它们。作为本发明的基础的量子信道的主要特征是窃听信道仅向窃听器提供关于这些态的部分信息。相比之下，在经典信道中，窃听可以提供原则上完美的关于信号的信息。
·接收器，具有检测和测量发射器发送的量子态的能力。
另外，发射器和接收器能够在认证的经典信道上协作，以便从原始交互中提取共享的安全密钥。这一步被定义为密钥提取，包括：协调(reconciliation)，其识别和丢弃在传输过程中丢失的态；纠错，其消除了在传输过程中可能出现的任何错误；以及私密性(privacy)放大，将可能会泄漏到窃听器的信息降低到任何选择的低值。
因此，本发明的第一方面涉及一种自由空间密钥分发方法，包括基于物理层窃听信道模型在发射器和接收器之间交换信息，所述方法包括以下步骤：在发射器处，随机准备利用两个可能的不同量子态之一编码的量子比特；通过物理层量子增强窃听信道将编码的量子比特发送到接收器，使得窃听所述信道的窃听器仅被提供有关于所述量子态的部分信息；检测和测量所接收的量子态；通过经典信道在发射器和接收器之间进行密钥筛选；基于检测和接收的量子态计算任何窃听器可用的信息量。
有利地，所述两个可能的不同量子态由单光子组成。
优选地，每个单光子通过USD测量来检测，并被用于秘密密钥生成步骤。
备选地，所述两个可能的不同量子态由多个光子的相干态组成。
根据本发明的一个优选实施例，所述自由空间密钥分发方法包括：另一窃听器可获得信息确定步骤，首先定义对应于接收器的表面的收集区域SCZ、对应于接收器可以假设没有窃听器能够获得通过光量子信道传输的信号的区域的安全区域SSZ、对应于由光束覆盖的总面积的照射区域SIZ和窃听器可能位于的不安全区SInsecureZone，其中窃听器可获得的量子态的平均数由以下公式限定：
其中
是窃听器可能拦截的光子的平均数，
tQC是量子信道传输系数，以及
是发射的光子的平均数。
有利地，所述自由空间密钥分配方法还包括：照射区域表面限定步骤，基于窃听器收集由发射器发射的每个相干态的至少一个光子的概率，所述概率由以下公式给出：
其中所述照射区域限定步骤通过调整发射器发射的相干态的强度来定义。
根据本发明的优选实施例，计算步骤是由发射器和接收器的提取引擎执行的纠错步骤。
有利地，密钥筛选包括提取引擎通知提取引擎检测时隙并且排除未检测到量子态的时隙。
优选地，所述两个可能的不同量子态是非正交的。
根据本发明的优选实施例，纠错步骤之后是私密性放大步骤，所述私密性放大步骤通过丢弃在纠错步骤中已经揭示的比特来在发射器和接收器之间产生公共秘密密钥。
有利的是，所述自由空间密钥分发方法还包括：在量子比特准备步骤之前的同步步骤。
本发明的第二方面涉及适于执行本发明的第一方面的方法的自由空间密钥分发系统，其特征在于其包括发射器、接收器和连接所述发射器和所述接收器的光量子信道，其中所述发射器包括量子态发射器和提取引擎，并且所述接收器包括量子态接收器和提取引擎。
根据本发明的优选实施例，量子态发射器包括随机数发生器和态编码器设备，其中随机数发生器输出命令态编码器设备将量子态编码为两个不同量子态之一的值。
有利地，量子态是光子极化。
优选地，量子态接收器包括量子态检测设备，其是适于操作无模糊态判别测量的USD设备，所述无模糊态判别测量适于生成表示接收器原始密钥的比特序列。
附图说明
以下参考附图描述本发明的优选实施例，附图示出了本发明的优选实施例而不用于对其进行限制。在附图中：
图1表示具有窃听信道和物理层窃听信道窃听的不同的窃听场景；
图2表示本发明的总体装置；
图3a表示本发明的优选实施例，适用于由单光子携带的极化态的情况；
图3b表示本发明的优选实施例，适用于相干态的情况；
图4表示与本发明的总体装置相关的方法。
具体实施方式
如上所述，图1呈现了各种窃听场景。发射器100和接收器200通过由虚线限定的FSO通信信道交换数据，其中根据窃听信道场景，窃听器Eve1 300可以位于100和200之间，并截获和重新发射波束，或者根据物理层窃听信道场景，窃听器Eve2 305可以位于地面上，并且只能收集部分波束而不重新发送，两者都试图获取有关交换数据的信息。这里不再重复对它们的描述。
图2表示本发明的总体装置，包括发射器100和接收器200，其通过量子信道500交换量子态，并通过经典信道550交换认证的信号。请注意，信道被视为被窃听，即窃听器可以提取通过它们的信息和/或量子态，但不能修改这些信息和这些量子态。经典信号可以是在发射器100和接收器200之间交换的经典的RF信号或光信号，用于同步、指向和跟踪或后处理操作。发射器100包括：量子态发射器110和提取引擎120。量子态发射器110包括：分别表示位0和1的量子态和的源111，其中例如量子态可以是由单光子携带的极化态；以及能够产生随机比特值112的模块，所述随机比特值例如可以使用传统的RNG或量子RNG来得到。
根据由随机比特值发生器112输出的比特值(0或1)，源111适于发射相应的量子态(例如)。由发生器112选择的比特值的副本被发送到提取引擎120，以便组成发射器的原始密钥。提取引擎120适于执行密钥提取过程以便从原始密钥生成秘密密钥。
另一方面，接收器200包括：量子态接收器210和类似的提取引擎220。量子态接收器210能够检测在500上接收到的量子态并且区分两个不同态提取引擎220与120一起在经典信道550上使用，以从原始交换中提取秘密密钥。由′1′和′0′组成的测量序列输出被发送到提取引擎220以组成接收器的原始密钥。
提取引擎120和220通过经典信道500协作以生成秘密密钥130。提取引擎120和220都由三个模块组成：协调模块121和221，纠错模块122和222以及私密性放大模块123和223。提取引擎120和220都可以由处理单元实现。组成提取引擎120或220的三个模块可以包括运行在其处理单元上的软件。
在时间段检测的情况下，协调模块221首先向协调模块121通告检测时隙并排除未检测到量子态的时隙。实际上，由于量子信道500中以及在210中检测器处可能的损耗，不是所有由111发送的状态都被检测到。对于高空平台，自由空间量子信道500的典型损耗在10至20dB的范围内，对于卫星为30至50dB，对于对地静止卫星为50dB以上。
然后，纠错模块122和222对剩余的比特执行纠错。纠错包括评估错误的数量，例如通过取比特采样(以后丢弃它们以避免信息泄漏)，并使用纠错码将错误数量减少到零。
最后，私密性放大模块123和223估计可能已经泄露给窃听器的信息量，并且将其减少到通常接近零的任何选择值，这以进一步减少剩余比特数为代价。确切的计算取决于实施例，下面举例说明两种情况：单光子和相干态。其他实施例可以以类似的方式进行估计。在该过程结束时，发送器100和接收器200根据需要共享秘密密钥130。
图3a表示基于单光子态并允许在飞行平台和地面站之间进行安全密钥交换的本发明的第一实施选项。在该第一实施例中，量子态发射器110发射一系列单光子态，其中每一个都处于两个态之一，这两个态是例如和(对应于比特值0和1)，例如具有正交极化。为了防止现有技术中解释的缺陷，即极化可以根据飞行期间发射器的位置而改变，可以例如使用两个圆极化模式115：圆右旋和圆左旋极化，其相对于飞行平台的位置是不变的。这一系列态由一束箭头表示，每个大点对应于在不同的时间发射的一个光子。光子全部在发射器110的衍射锥内，并将在不同的位置到达地面。接收器200将检测到达收集区650(也称为接收器区域200)的光子(参见图3b)(由于不完全检测而造成损耗)。这些态可以容易地在接收器200处被区分，利用由四分之一波片(QWP)组成的量子态接收器210，其将两个圆极化转换为两个线极化，极化分束器201将两个线极化分离，并将它们中的每一个发送到两个检测器202和203之一。
从量子力学的原理可知，单光子态不可分。因此，到达收集区域650之外的任何光子因此可以被Eve2 305检测到并且将不会在接收器200处被接收。在上面解释的协调协议期间，相应的态将被丢弃。发射器110和接收器200之间共享的并且在该实施例中Eve2 305可获得的信息因此是零。在具有单光子的物理层量子增强窃听模型中，私密性放大步骤因此仅需要丢弃在纠错步骤期间揭示的比特。没有在纠错步骤中揭示的比特的校正的密钥已经是秘密的。不幸的是，产生单光子流是一项艰巨的任务。它已经在实验室中得到了实现，但没有现成的商业来源。还需要作出重大努力，以便对这种来源进行空间限定。因此，尽管这个实施例是最简单的实现，但是它还不实用。
在我们的第二个实施例中，两个量子态是相干态。在量子光学中，相干态由R.Glauber最初引入并已被广泛研究(例如见书：R.Loudon的Quantum Theory of Light)。它们最重要的特征在于相干态是由激光器发射的量子态，例如在光脉冲中。将在本实施例中使用的相干态的第二特征是相干态在衰减时保持相干态，例如在通过大气传输期间。在本实施例中也将使用的相干态的第三特征是相干态可以被分解为独立相干态的直接产物。这意味着当相干态被分成不同的模式时，每个模式中光子的检测概率是独立的。图3b表示这个特定的发明实施例和典型的密钥交换实现。它表示卫星想要与地面站交换密钥的配置。假设窃听器Eve2 305位于靠近接收器200的地面上。它可以收集发射器100发送的部分量子态(当其在光束中发送时)。由于Eve2 305仅具有收集在卫星中的发射器100与地面站中的接收器200之间的光通信信道中传播的信号的一部分的能力，所呈现的配置与物理层窃听信道场景的假设相匹配。发射器100通过光量子信道500将相干态(例如，由激光器发射的光脉冲)发送到接收器200。选择脉冲的强度以在接收器处具有非常低的强度，平均为一个光子的量级。发射器100例如可以选择与在时间上编码的量子态一起工作，即每个比特对应于不同的时间段，如COW协议中使用的主要基础。极化编码(如前面的实施例中所述)也是可能的。然而，极化编码需要极化守恒元件，例如在光反射镜中，这使得整个系统更昂贵。由于实际的原因，时间编码因此似乎是更便宜的解决方案，因为其实施仅需要脉冲激光器。这个脉冲激光器在适当的时间活动，以便产生两个以下的量子态：或者早时间段中的一个弱光学脉冲，接着是晚时间段中的真空态，以表示例如0，或者在早时间段中的一个真空态，接着在晚时间段中的一个弱光学脉冲，以表示例如1。在接收器200侧，可以简单地通过检查光子检测是发生在早时间段还是晚时间段中来执行这两种量子态之间的区别。这可以通过一个独特的单光子检测器，然后是测量与时间段定义相比较的检测时间的设备来实现。检测系统的正确同步也是需要的。由于不可避免的衍射效应，来自发射器100的光束在传播期间变宽。量子信道500因此由圆锥形光束表示。出于示意的目的，图3b中突出强调了这种效果。实际上，例如对于10厘米反射镜，光束的孔径大约是20弧秒，但是由于长距离传播(对于低地球轨道卫星来说大约800公里)，光束照射通常为几米的较大区域，这被称为照射区域(IZ)600。我们将IZ 600分解成三个区域，即：
1-收集区域(CZ)650，其对应于收集光并位于接收器200内的反射镜的表面。接收器200可获得的平均光子数由以下公式给出
其中：
-接收器200接收的光子的平均数
tQC-量子信道传输系数
ηReceiver-接收器的量子效率
-发射器100发送的平均光子数
SCZ-CZ 650的表面
SIZ-IZ 600的表面，代表光束覆盖的总面积，当从卫星发射的光束撞击地球表面时，该表面可以是例如约50米的圆。
2-安全区(SZ)660，其中接收器200可以假定没有窃听器能够获得通过光量子信道500发送的信号，该区域例如可以是围绕接收器200的封闭区域，其中窃听器不可以进入，例如建筑物的封闭式园区。
3-第三个区域是不安全区域670，其被照亮但不安全并且对应于窃听器可能位于的位置。不安全区域的表面是：
SInsecureZ＝SIZ-SSZ。
因此，Eve2 305可获得的平均光子数量由以下规则限制
其中：
-窃听器(Eve2-305)可能拦截的平均光子数。这里，为了计算Eve2 305可能可用信息的上界，我们假设Eve可以用完美的检测器(意味着假定量子效率为1)覆盖整个不安全区域670。
如前所述，发射器100发送相干态。这些态可以分解成两个不同的模式，对应于两个区域，即安全区域660和不安全区域670。每个区域的检测概率是独立的。这是相干态的特征。换句话说，Eve2 305检测光子的概率完全独立于接收器200处的检测概率。
假设从发射器100到Eve2 305的信道不引入任何额外的噪声，并且Eve2 305可以对发射器100发送的态进行完美分离，Eve2 305能够知道由发射器100发送的态(即每次其相干态具有至少一个光子时，由接收器200接收的比特值)。使用相干态的属性，Eve2 305收集由发射器100发送的每个相干态的至少一个光子的概率由以下公式给出：
这个公式给我们提供了Eve2 305在发射器100发送的每个量子态上获得的信息。根据上面讨论的独立属性，这也是Eve2 305在纠错之前可能获得的与在发射器100和接收器200共享的每个比特相关的信息。与具有单光子态的先前实施例(其中Eve2 305不能获得信息)相反，当发射器100和接收器200使用相干态时，Eve2 305可以获得关于这些态的部分信息。但是，该信息是由上面的公式限定的。两个实施例的一个共同特征是，可能泄漏到Eve2的信息不取决于信道中的错误率，而仅取决于发射器100使用的态的类型和系统的几何特性。通过减小发射器100发射的相干态的强度，Eve2 305接收到的相干态的平均光子数接近于零。因此，当相干态的强度较弱时，其关于发射器100选择的比特值的信息较小。另外，当安全区域660相对于照射区域600足够大时，Eve2 305接收光子的概率很小。这表明，为了减少对Eve2 305潜在可用的信息，可以使用两种不同的路径：
(1)或发送有限数量的光子，
(2)或通过拥有足够大的安全区域来确保Eve不能获得大部分光束。
这些信息将通过私密性放大缩小到任何所需的值。
图4表示与本发明相关的方法。
在第一步骤700中，发射器100和接收器200通过操作经典的RF或光信号交换来通过信道550同步。该操作可以通过例如卫星系统的指向和跟踪系统来完成，但是这是可选的。
在第二步骤710中，发射器100随机准备在两个可能的不同量子态之一上编码的一个量子比特，所述量子态由单光子或相干态组成。这个随机量子比特值被添加到发射器的原始密钥。
在第三步骤720中，发射器将对应于所选比特值的两个不同量子态之间的编码量子比特发送到接收器200。
在第四步骤730中，接收器200检测并测量量子态并输出“1”或“0”。可选地，可以通过对输出“1”，“0”或不确定结果的接收态进行无模糊态判别测量来完成该测量。该结果被添加到接收方的原始密钥。
然后，在密钥筛选步骤740中，发射器和接收器进行通信，使得接收器向发射器通知检测的时隙，发射器从其原始密钥擦除与未检测到的态对应的比特值。
在第五步骤750中，发射器100和接收器200协作在其2个原始密钥之间进行纠错。
在第六步骤760中，发射器100和接收器200基于由所述发射器发射的两个不同量子态，评估具有通过物理层窃听从光量子信道500中提取信息的能力的窃听器305可获得的最大信息，如上所述。
在最后的步骤770中，发射器100和接收器200执行校正的原始密钥的私密性放大，以便生成公共密钥130。
附图标记列表
100 发射器
110 量子态发射器
111 量子态编码器
112 RNG
120 发射器的提取引擎
121 协调模块
122 纠错模块
123 私密性放大模块
130 密钥
200 接收器
210 量子态接收器
211 量子态检测
220 接收器的提取引擎
221 协调模块
222 纠错模块
223 私密性放大模块
300 Eve1
305 Eve2
500 量子信道
550 经典信道
600 照射区域
650 收集区域
660 安全区域
670 不安全区域
700 发射器和接收器同步
710 “0”/“1”随机选择
720 量子态发射
730 接收器量子态测量
740 密钥筛选
750 发射器和接收器纠错
760 Eve信息估计
770 私密性放大

Claims (15)

1.一种自由空间密钥分发方法，包括基于物理层窃听信道模型在发射器(100)和接收器(200)之间交换信息，所述方法包括以下步骤：
在发射器(100)处随机准备(710)以两种可能的不同量子态之一编码的一个量子比特，
通过物理层量子增强窃听信道(500)将编码的量子比特发送(720)到接收器(200)，使得窃听所述信道的窃听器(300)仅被提供有关于所述量子态的部分信息，
检测和测量(730)所接收的量子态，
通过经典信道在发射器和接收器之间进行密钥筛选(740)，
基于检测和接收的量子态来计算(750，760)可用于任何窃听器(300)的信息量。
2.根据权利要求1所述的自由空间密钥分发方法，其特征在于，所述两个可能的不同量子态由单光子组成，使得任何窃听器都不能获得在发射器(100)和接收器(200)之间交换的信息。
3.根据权利要求2所述的自由空间密钥分发方法，其特征在于，每个单光子通过USD测量来检测，并用于秘密密钥生成步骤(770)。
4.根据权利要求1所述的自由空间密钥分配方法，其特征在于，所述两个可能的不同量子态由多个光子的相干态组成。
5.根据权利要求4所述的自由空间密钥分发方法，其特征在于，所述过程包括进一步的窃听器可获得信息确定步骤，首先定义对应于接收器(200)的表面的收集区域SCZ(650)、对应于接收器(200)能够假定没有窃听器能够获得通过光量子信道(500)传输的信号的区域的安全区SSZ(400)、对应于由光束覆盖的总面积的照射区域SIZ(600)和窃听器可能位于的不安全区域SInsecure Zone(670)，其中窃听器可获得的量子态的平均数由以下公式限定：
其中
是窃听器可能拦截的光子的平均数，
tQC是量子信道传输系数，而且
是发射的光子的平均数。
6.根据权利要求5所述的自由空间密钥分发方法，其特征在于还包括：照射区域(600)表面限定步骤，其基于窃听器(300)收集由发射器(100)发射的每个相干态的至少一个光子的概率，所述概率由以下公式给出：
使得对窃听器可用的信息受到以下限制：
其中通过调整由发射器(100)发射的相干态的强度来定义所述照射区域(600)限定步骤。
7.根据权利要求1至6所述的自由空间密钥分发方法，其特征在于，所述计算步骤(750)是由所述发射器(100)和接收器(200)的提取引擎(120，220)执行的纠错步骤。
8.根据权利要求1-7所述的自由空间密钥分发方法，其特征在于，所述密钥筛选(740)包括提取引擎(220)向提取引擎(120)通告检测时隙并排除未检测到量子态的时隙。
9.根据权利要求1-8所述的自由空间密钥分发方法，其特征在于，所述两个可能的不同量子态是非正交的。
10.根据前述权利要求中任一项所述的自由空间密钥分发方法，其特征在于，所述纠错步骤(750)之后是私密性放大步骤(760)，其通过丢弃在纠错步骤期间已经揭示的比特，生成发射器(100)和接收器(200)之间的公共密钥(130)。
11.根据前述权利要求中任一项所述的自由空间密钥分配方法，其特征在于，在量子比特准备步骤(710)之前还包括同步步骤(700)。
12.一种适用于执行权利要求1-10中任一项所述的方法的自由空间密钥分发系统，其特征在于，所述自由空间密钥分发系统包括：发射器(100)、接收器(200)和连接所述发射器(100)和所述接收器(200)的光量子信道(500)，其中所述发射器包括量子态发射器(110)和提取引擎(120)，并且所述接收器包括量子态接收器(210)和提取引擎(220)。
13.根据权利要求12所述的自由空间密钥分发系统，其特征在于，所述量子态发射器(110)包括随机数发生器(112)、状态编码器设备(111)，其中所述随机数发生器(112)输出命令状态编码器设备(111)将量子态编码为两个不同量子态之一的值。
14.根据权利要求12或13所述的自由空间密钥分发系统，其特征在于，所述量子态是光子极化。
15.根据权利要求12-14所述的自由空间密钥分发系统，其特征在于，所述量子态接收器(210)包括量子态检测设备(211)，所述量子态检测设备(211)是适于操作无模糊态判别测量的USD设备，所述无模糊态判别测量适于生成表示接收器原始密钥的比特序列。
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