CN108365954A - 一种控制码复用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种控制码复用方法，包括信道检测、发送端发送密文、调制密文序列和解调密文序列以完成密文信息传递，本发明提出一种有效对抗量子信道多类型非相干攻击的融合偏振基选择和顺序重排的控制码复用方法。偏振基选择和顺序重排两种量子信号调制模式，在克服攻击方面各具优势，但目前研究无法将两种模式兼顾，本发明提出一种控制码复用方法，可以承载这两种模式，达到克服多类型非相干攻击的效果。

Description

一种控制码复用方法
技术领域
本发明属于量子安全直接通信技术领域，特别是涉及一种控制码复用方法。
背景技术
传统量子秘钥分发(QKD)通信机制不能直接完成密文传送。量子直接通信(QSDC)既具有QKD的安全性保证，又能直接完成密文传送，本发明的研究成果有助于降低联合噪声干扰，补充现有方案应对特洛伊木马攻击、分割光子数攻击、蛮力攻击的不足，克服两步传输中单光子在发送返回两过程中量子信道衰减加倍的弊端，从误码率分析结果可以看出提高了密文传输效率，具有一定工程技术应用背景和极强的学术理论研究价值。
发明内容
本发明为了解决现有的技术问题，提出一种控制码复用方法。
本发明的目的通过以下技术方案实现：一种控制码复用方法，包括以下步骤：
步骤1、发送端和接收端在执行密文通信前进行信道检测，发送端利用弱激光源代替单光子源，制备一个单光子序列N；
步骤2、单光子序列N在发送时加入诱骗态光子；
步骤3、发送端将所述单光子序列N传送给接收端，接收端随机选择互为共轭的测量基进行测量，接收端将选择的测量基告知发送端，发送端告知接收端选用正确的测量基位置和诱骗态光子位置，发送端和接收端比较传输结果中诱骗态光子的通过率Qμ,检测是否存在攻击；
步骤4、当通过率Qμ＜＜Q'μ和Q'μ＞＞Q"μ时，量子信道内存在窃听和攻击，通信双方进行信道的物理检测，排除窃听和攻击；当通过率Qμ＞＞Q'μ和Q'μ＝Q"μ时，通信双方去除用于检测的诱骗态光子，取剩余单光子序列的一部分随机光子，进行量子查询，公开比较量子误码率；当量子误码率小于双方设定的门限值e时，通信双方剔除公开比较的单光子，剩余的k个单光子经量子信息处理，形成控制码Nk；其中Q'μ为诱骗态光子在信道无PNS攻击时的传输率，Q"μ为诱骗态光子在信道有PNS攻击时的传输率；
步骤5、发送端制备一个单光子序列S，所述单光子序列S包括承载密文的信息序列即密文序列Sa，检测窃听和攻击的序列即检测序列Sb；
步骤6、发送端将控制码Nk的二进制换算为十进制值，根据预设规则，对应选择顺序重排模式，根据所述顺序重排模式将密文序列Sa进行平均分块为Sa1，Sa2…Sam，每块中含有k个单光子；发送端根据对应选择的顺序重排模式将Sam块序列中的单光子，进行几何次序的顺序重排；
步骤7、根据控制码Nk序列中的0和1，分别控制调制信号源选择的偏振共轭基进行调制密文信息，至此密文信息已经调制完毕；
步骤8、发送端在发送单光子序列S时，在检测序列Sb中加入诱骗态光子；接收端接收到单光子序列S后，将密文序列Sa的单光子按照接收次序进行码块分割，接收端将控制码Nk的二进制换算为十进制值，根据预设规则，对应选择顺序重排模式，利用该重排模式，码块中的单光子序列进行恢复原有次序；
步骤9、接收端根据控制码Nk序列中的0和1，分别控制调制信号源选择的偏振共轭基进行解调密文信息，至此密文信息传递完毕。
步骤10、基于检测序列Sb，通信双方分析诱骗态光子通过率和量子误码率，剔除分析安全用的所有单光子，发送端和接收端利用检测过程生成控制码Nk'，Nk'用于下一次的单步量子直接通信。
进一步地，所述诱骗态光子的通过率Qμ具体计算方式为：平均强度为μ的相干光源，其光子数目服从泊松分布，脉冲通过率Qμ，Yn是发送端发送n光子脉冲时的接收端检测概率，ηB为接收端探测端的效率，Y0为接收端的暗计数概率，p为存在PNS攻击时Eve允许多光子通过的概率，Qμ、Q'μ、Q"μ分别用公式(1)，公式(2)，公式(3)表示：
进一步地，所述门限值e＝0.3。
进一步地，所述偏振共轭基包括直线基和对角基其中直线基是来调制水平偏振态和垂直偏振态；所述对角基用来调制45°方向偏振态和-45°方向偏振态，所述水平偏振态和垂直偏振态编码比特0，所述45°方向偏振态和-45°方向偏振态编码比特1。
进一步地，所述控制码Nk序列是一个二进制比特串，其长度与承载密文编码的块传输单光子序列长度一致，即密文序列中含有k个单光子。
进一步地，所述预设规则为：假设控制码Nk序列含有8位，选择N8序列的二进制值区间为{00000000-11111111}，将其等距分为8个连续区间，对应顺序重排模式{E1，E2，E3，E4，E5，E6，E7，E8}，根据控制码Nk序列的十进制值，选择对应的顺序重排模式，将所述顺序重排模式进行对应的几何次序设计。
本发明与现有技术相比具有以下优点：(1)控制码复用方法中的顺序重排模式的对应关系和偏振基的选择。顺序重排模式需要控制码进行分类对应，偏振基选择也需要控制码进行辅助操作，解决控制码在两种模式中的复用问题，融合两种模式的优点。(2)单光子单步量子直接通信的核心传递步骤。检测码块加入诱骗态光子，信息码块加入顺序重排模式，解决码元排列问题，设计了单光子单步传输的核心步骤。
附图说明
图1为举例顺序重排模式图；
图2为密文序列调制过程图；
图3为单光子序列图；
图4为控制码生成过程图；
图5为密文序列信息图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
结合图1-图3，本发明提出一种控制码复用方法，包括以下步骤：
步骤1、发送端和接收端在执行密文通信前进行信道检测，发送端利用弱激光源代替单光子源，制备一个单光子序列N；
步骤2、单光子序列N在发送时加入诱骗态光子；
步骤3、发送端将所述单光子序列N传送给接收端，接收端随机选择互为共轭的测量基进行测量，接收端将选择的测量基告知发送端，发送端告知接收端选用正确的测量基位置和诱骗态光子位置，发送端和接收端比较传输结果中诱骗态光子的通过率Qμ,检测是否存在攻击；判断条件如表1所示；
表1PNS攻击的判断条件
所述诱骗态光子的通过率Qμ具体计算方式为：平均强度为μ的相干光源，其光子数目服从泊松分布，脉冲通过率Qμ，Yn是发送端发送n光子脉冲时的接收端检测概率，ηB为接收端探测端的效率，Y0为接收端的暗计数概率，p为存在PNS攻击时Eve允许多光子通过的概率，Qμ、Q'μ、Q"μ分别用公式(1)，公式(2)，公式(3)表示：
步骤4、当通过率Qμ＜＜Q'μ和Q'μ＞＞Q"μ时，量子信道内存在窃听和攻击，通信双方进行信道的物理检测，排除窃听和攻击；当通过率Qμ＞＞Q'μ和Q'μ＝Q"μ时，通信双方去除用于检测的诱骗态光子，取剩余单光子序列的一部分随机光子，进行量子查询，公开比较量子误码率(QBER)；当量子误码率小于双方设定的门限值e时，优选门限值e＝0.3，通信双方剔除公开比较的单光子，剩余的k个单光子经量子信息处理，形成控制码Nk；其中Q'μ为诱骗态光子在信道无PNS攻击时的传输率，Q"μ为诱骗态光子在信道有PNS攻击时的传输率；
步骤5、发送端制备一个单光子序列S，所述单光子序列S包括承载密文的信息序列即密文序列Sa，检测窃听和攻击的序列即检测序列Sb；
步骤6、发送端将控制码Nk的二进制换算为十进制值，根据预设规则，对应选择顺序重排模式，根据所述顺序重排模式将密文序列Sa进行平均分块为Sa1，Sa2…Sam，每块中含有k个单光子；发送端根据对应选择的顺序重排模式将Sam块序列中的单光子，进行几何次序的顺序重排；
步骤7、根据控制码Nk序列中的0和1，分别控制调制信号源选择的偏振共轭基进行调制密文信息，至此密文信息已经调制完毕；调制过程如图2所示；
步骤8、发送端在发送单光子序列S时，在检测序列Sb中加入诱骗态光子，如图3所示；接收端接收到单光子序列S后，将密文序列Sa的单光子按照接收次序进行码块分割，接收端将控制码Nk的二进制换算为十进制值，根据预设规则，对应选择顺序重排模式，利用该重排模式，码块中的单光子序列进行恢复原有次序；
步骤9、接收端根据控制码Nk序列中的0和1，分别控制调制信号源选择的偏振共轭基进行解调密文信息，至此密文信息传递完毕。
步骤10、基于检测序列Sb，通信双方分析诱骗态光子通过率和量子误码率，进一步证明量子信道安全性，剔除分析安全用的所有单光子(诱骗态光子和量子查询光子)，发送端和接收端利用检测过程生成控制码Nk'，Nk'用于下一次的单步量子直接通信。
量子通信发送端制备信号源时采用偏振共轭基的调制方法，所述偏振共轭基包括直线基和对角基其中直线基是来调制水平偏振态→和垂直偏振态↑；所述对角基用来调制45°方向偏振态↗和-45°方向偏振态↘，所述水平偏振态→和垂直偏振态↑编码比特0，所述45°方向偏振态↗和-45°方向偏振态↘编码比特1，如表2所示。
表2调制和解调规则
控制码Nk的双重复用功能是指控制码既用于顺序重排，又用于选择偏振共轭基。所述控制码Nk序列是一个二进制比特串，其长度与承载密文编码的块传输单光子序列长度一致，即密文序列中含有k个单光子。
所述预设规则为：假设控制码Nk序列含有8位，选择N8序列的二进制值区间为{00000000-11111111}，将其等距分为8个连续区间，对应顺序重排模式{E1，E2，E3，E4，E5，E6，E7，E8}，对应关系如表3所示，根据控制码Nk序列的十进制值，选择对应的顺序重排模式，将所述顺序重排模式进行对应的几何次序设计，如图1所示，举例E5和E8。
表3顺序重排对应区间表
本发明提出一种有效对抗量子信道多类型非相干攻击的融合偏振基选择和顺序重排的控制码复用方法。偏振基选择和顺序重排两种量子信号调制模式，在克服攻击方面各具优势，但目前研究无法将两种模式兼顾，本发明提出一种控制码复用方法，可以承载这两种模式，达到克服多类型非相干攻击的效果。
为方便演示，本发明将分几步对整个方法进行演示。首先，对量子密钥分发(QKD)得到控制码进行程序仿真。在发送端和接收端分别对检测序列采用随机的检测基并公开相同的偏振基位置之后，可得到初始密钥。在本发明所附仿真程序中把传输机密信息分成8量子比特一组进行传输。由于检测基选择的随机性，大约只有1/2的量子能够选取到相同检测基，故量子序列长度应为初始密钥的两倍，再考虑到需要对一部分初始密钥进行公开以检验安全性和检测选取的随机性。本发明将检测序列长度设为控制码长度的4倍，既32位。在如此条件下因为初始密钥长度小于八位而使得控制码不够8位而无法传递的概率可视为0,这样既保证了传输的流畅性和安全性，同时也保证了一定的传输效率。公开部分信息进行比对，为方便描述，本发明选取前8位初始密钥留作控制码，后面的信息用于公开比对。控制码的生成过程如图4所示，该算法准确生成了控制码，检测存在窃听攻击的误码率如表4所示，本发明检测窃听者的成功率很高，几乎可以说是100％，能有效抵抗窃听攻击，最终获得的信息密文序列如图5所示。
表4存在窃听攻击的误码率检测
以上对本发明所提供的一种控制码复用方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种控制码复用方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、发送端和接收端在执行密文通信前进行信道检测，发送端利用弱激光源代替单光子源，制备一个单光子序列N；
步骤2、单光子序列N在发送时加入诱骗态光子；
步骤3、发送端将所述单光子序列N传送给接收端，接收端随机选择互为共轭的测量基进行测量，接收端将选择的测量基告知发送端，发送端告知接收端选用正确的测量基位置和诱骗态光子位置，发送端和接收端比较传输结果中诱骗态光子的通过率Qμ,检测是否存在攻击；
步骤4、当通过率Qμ＜＜Q'μ和Q'μ＞＞Q"μ时，量子信道内存在窃听和攻击，通信双方进行信道的物理检测，排除窃听和攻击；当通过率Qμ＞＞Q'μ和Q'μ＝Q"μ时，通信双方去除用于检测的诱骗态光子，取剩余单光子序列的一部分随机光子，进行量子查询，公开比较量子误码率；当量子误码率小于双方设定的门限值e时，通信双方剔除公开比较的单光子，剩余的k个单光子经量子信息处理，形成控制码Nk；其中Q'μ为诱骗态光子在信道无PNS攻击时的传输率，Q"μ为诱骗态光子在信道有PNS攻击时的传输率；
步骤5、发送端制备一个单光子序列S，所述单光子序列S包括承载密文的信息序列即密文序列Sa，检测窃听和攻击的序列即检测序列Sb；
步骤6、发送端将控制码Nk的二进制换算为十进制值，根据预设规则，对应选择顺序重排模式，根据所述顺序重排模式将密文序列Sa进行平均分块为Sa1，Sa2…Sam，每块中含有k个单光子；发送端根据对应选择的顺序重排模式将Sam块序列中的单光子，进行几何次序的顺序重排；
步骤7、根据控制码Nk序列中的0和1，分别控制调制信号源选择的偏振共轭基进行调制密文信息，至此密文信息已经调制完毕；
步骤8、发送端在发送单光子序列S时，在检测序列Sb中加入诱骗态光子；接收端接收到单光子序列S后，将密文序列Sa的单光子按照接收次序进行码块分割，接收端将控制码Nk的二进制换算为十进制值，根据预设规则，对应选择顺序重排模式，利用该重排模式，码块中的单光子序列进行恢复原有次序；
步骤9、接收端根据控制码Nk序列中的0和1，分别控制调制信号源选择的偏振共轭基进行解调密文信息，至此密文信息传递完毕；
步骤10、基于检测序列Sb，通信双方分析诱骗态光子通过率和量子误码率，剔除分析安全用的所有单光子，发送端和接收端利用检测过程生成控制码Nk'，Nk'用于下一次的单步量子直接通信。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述诱骗态光子的通过率Qμ具体计算方式为：平均强度为μ的相干光源，其光子数目服从泊松分布，脉冲通过率Qμ，Yn是发送端发送n光子脉冲时的接收端检测概率，ηB为接收端探测端的效率，Y0为接收端的暗计数概率，p为存在PNS攻击时Eve允许多光子通过的概率，Qμ、Q'μ、Q"μ分别用公式(1)，公式(2)，公式(3)表示：
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述门限值e＝0.3。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述偏振共轭基包括直线基和对角基其中直线基是来调制水平偏振态和垂直偏振态；所述对角基用来调制45°方向偏振态和-45°方向偏振态，所述水平偏振态和垂直偏振态编码比特0，所述45°方向偏振态和-45°方向偏振态编码比特1。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述控制码Nk序列是一个二进制比特串，其长度与承载密文编码的块传输单光子序列长度一致，即密文序列中含有k个单光子。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述预设规则为：假设控制码Nk序列含有8位，选择N8序列的二进制值区间为{00000000-11111111}，将其等距分为8个连续区间，对应顺序重排模式{E1，E2，E3，E4，E5，E6，E7，E8}，根据控制码Nk序列的十进制值，选择对应的顺序重排模式，将所述顺序重排模式进行对应的几何次序设计。
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