CN109586905A - 基于北斗卫星与量子通信技术结合的信息传输加密的方法 - Google Patents

基于北斗卫星与量子通信技术结合的信息传输加密的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于北斗卫星与量子通信技术结合的信息传输加密的方法，北斗卫星上设置有量子密钥分发设备和量子通信设备，通过北斗卫星与地面光纤量子通信网络进行加密信息传输通讯，其信息传输加密通讯的方法步骤如下：地面光纤量子通信网络通过量子纠缠分发技术发送纠缠光子进行地面光纤量子通信网络与北斗卫星的量子通信设备之间的量子通信；北斗卫星上的量子通信设备接收到地面光纤量子通信网络发来的量子通信纠缠光子信号后，对其进行信息识别，并通过量子密钥分发设备对该通信信号进行高速量子密钥分发，并将经过量子密钥加密的通信信号返回至地面光纤量子通信网络；地面光纤量子通信网络接收到加密的通信信号之后进行量子密钥解密。

Description

基于北斗卫星与量子通信技术结合的信息传输加密的方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉及基于北斗卫星与量子通信技术结合的信息传输加密的方法。
背景技术
量子通信技术是量子力学与传统信息科学结合的产物，目前，主要利用光在微观世界中的量子特性，通过单个光子或纠缠光子传输“0”和“1”的数字信息来实现信息的高速传递，从理论上说可以传输超大容量的信息，且能够用于开发用经典手段无法破译的密码。但是，由于光子在传输过程中会发生衰减，在实际应用中实现远距离的光纤量子保密通信难度很大，目前量子密码在光纤中的最大传输距离只有200公里左右。不过，最新的研究表明，利用通信卫星和自由空间纠缠光子分发，很有希望实现更远距离乃至全球化的量子通信网络。量子保密通信的应用范围很广。凡需要保密的内容都可以用。根据目前情况看，可以用现在所有用光纤通信的线路，加上一个量子技术，就能实现在光纤网络上的所有传递信息的保密。目前量子通信在地面范围内实现了通信，由于量子信号的携带者光子在外层空间传播时几乎没有损耗，如果能够在技术上实现纠缠光子再穿透整个大气层后仍然存活并保持其纠缠特性，人们就可以在卫星的帮助下实现全球化的量子通信。
并且基于卫星的量子通信信息传输加密能够保证高保密的信息传输要求，通过卫星进行信息的量子密钥加密保证了不可人为对量子密钥加密设备进行更改，进一步保障了信息加密的不可篡改性。
发明内容
本发明的目的在于：解决目前随着社会发展网络将会面对成百上千倍的数据容量增长，。
本发明采用的技术方案如下：
基于北斗卫星与量子通信技术结合的信息传输加密的方法，方法如下：
北斗卫星上设置有量子密钥分发设备和量子通信设备，通过北斗卫星与地面光纤量子通信网络进行加密信息传输通讯，其信息传输加密通讯的方法步骤如下：
S1、地面光纤量子通信网络通过量子纠缠分发技术发送纠缠光子进行地面光纤量子通信网络与北斗卫星的量子通信设备之间的量子通信；
S2、北斗卫星上的量子通信设备接收到地面光纤量子通信网络发来的量子通信纠缠光子信号后，对其进行信息识别，并通过量子密钥分发设备对该通信信号进行高速量子密钥分发，并将经过量子密钥加密的通信信号返回至地面光纤量子通信网络；
S3、地面光纤量子通信网络接收到加密的通信信号之后进行量子密钥解密。
进一步，所述量子密钥分发设备对该通信信号进行高速量子密钥分发并传输至地面光纤量子通信网络的方法如下：
S2.1、量子密钥分发设备对接收到的一系列纠缠光子进行随机编码为四个偏振方向；
S2.2、地面光纤量子通信网络的接收方对接收到的纠缠光子进行偏振测量；
S2.3、地面光纤量子通信网络的接收方在公开信道上公布每次测量基的类型及没测量到任何信号的事件序列，但不公布每次有效测量事件中所测到的具体结果；
S2.4、如果没有窃听干扰，则双方各自经典二进制数据系列应相同，如果有窃听行为，因而将至少导致发送方和接收方有一半的二进制数据不相符合，得知信息有泄露。
进一步，所述地面光纤量子通信网络通过单光子探测器接收北斗卫星上的量子密钥分发设备所发出的纠缠光子。
进一步，所述地面光纤量子通信网络通过量子纠缠分发设备向卫星进行发送纠缠光子。
进一步，所述地面光纤量子通信网络的量子纠缠分发设备进行发送纠缠光子的方法通过干涉度量的方法实现多光子的量子纠缠。
进一步，所述高速量子密钥分发采用位帧同步的方法进行量子密钥分发。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明中，通过北斗卫星上设置有量子密钥分发设备和量子通信设备，通过星地量子纠缠分发实现北斗卫星与地面光纤量子通信网络进行加密信息传输通讯，，实现全球范围内卫星通讯的量子通信，解决了通过光纤进行量子通信的衰减较大的问题，并且基于卫星的量子通信信息传输加密能够保证高保密的信息传输要求，通过卫星进行信息的量子密钥加密保证了不可人为对量子密钥加密设备进行更改，进一步保障了信息加密的不可篡改性。其中量子密钥分发设备和地面光纤量子通信网络的量子纠缠分发设备实现星地量子纠缠分发，实现大尺度量子非定域性检验。
2、本发明中，量子纠缠分发设备进行发送纠缠光子的方法通过干涉度量的方法实现多光子的量子纠缠，可以实现多纠缠光子对的分发，其应用范围更广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明方法整体流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。
需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以下对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
本发明提出的基于北斗卫星与量子通信技术结合的信息传输加密的方法，方法如下：
北斗卫星上设置有量子密钥分发设备和量子通信设备，通过北斗卫星与地面光纤量子通信网络进行加密信息传输通讯，其信息传输加密通讯的方法步骤如下：
S1、地面光纤量子通信网络通过量子纠缠分发技术发送纠缠光子进行地面光纤量子通信网络与北斗卫星的量子通信设备之间的量子通信；
S2、北斗卫星上的量子通信设备接收到地面光纤量子通信网络发来的量子通信纠缠光子信号后，对其进行信息识别，并通过量子密钥分发设备对该通信信号进行高速量子密钥分发，并将经过量子密钥加密的通信信号返回至地面光纤量子通信网络；
S3、地面光纤量子通信网络接收到加密的通信信号之后进行量子密钥解密。
进一步，所述量子密钥分发设备对该通信信号进行高速量子密钥分发并传输至地面光纤量子通信网络的方法如下：
S2.1、量子密钥分发设备对接收到的一系列纠缠光子进行随机编码为四个偏振方向；
S2.2、地面光纤量子通信网络的接收方对接收到的纠缠光子进行偏振测量；
S2.3、地面光纤量子通信网络的接收方在公开信道上公布每次测量基的类型及没测量到任何信号的事件序列，但不公布每次有效测量事件中所测到的具体结果；
S2.4、如果没有窃听干扰，则双方各自经典二进制数据系列应相同，如果有窃听行为，因而将至少导致发送方和接收方有一半的二进制数据不相符合，得知信息有泄露。
进一步，所述地面光纤量子通信网络通过单光子探测器接收北斗卫星上的量子密钥分发设备所发出的纠缠光子。
进一步，所述地面光纤量子通信网络通过量子纠缠分发设备向卫星进行发送纠缠光子。
量子密钥分发通过量子态的传输，在遥远两地的用户共享无条件安全的密钥，利用该密钥对信息进行一次一密的严格加密，这是目前人类唯一已知的不可窃听、不可破译的无条件安全的通信方式。
在量子虚拟专用网络中，密钥获取是通过量子密钥分发设备(QKD)由一方传输到另一方，且量子密钥分发设备(QKD)传输密钥的通道是光纤。量子虚拟专用网络向量子密钥分发设备(QKD)发送密钥请求，从量子密钥分发设备(QKD)得到密钥后，量子虚拟专用网络双方进行密钥同步，确定获取的密钥是相同的密钥对，如果同步正确，用获取的密钥对通信数据进行加密、解密；如果同步不正确，重新请求密钥。量子密钥分发设备(QKD)在收到密钥请求时，根据密钥管理算法，分配合适的密钥，如果有可用的密钥，就发送密钥给虚拟专用网络VPN，在密钥获取的过程中，虚拟专用网络VPN和量子密钥分发设备QKD需要建立一个会话。虚拟专用网络VPN在协商新密钥的同时，仍旧用旧的密钥继续保持虚拟专用网络VPN工作，新密钥的协商是在旧的密钥建立的通道中协商的。VPN在密钥更换周期到的时候，就需要更新密钥，VPN向QKD发请求密钥，在正确获取密钥后，虚拟专用网络VPN将得到的密钥顺序号和Md5校验值告诉另一方虚拟专用网络VPN，另一方VPN根据接收到的顺序号向量子密钥分发设备QKD读取密钥，读取到密钥后比较读取的密钥的Md5值和收到的是否一致，如果一致，VPN回应确认密钥获取成功(OK)，表示这次密钥更新获取成功；如果不一致，表示两端VPN得到的密钥不同，需要重新请求密钥。
QKD是基于Heisenberg测不准原理和量子不可克隆定理，其完全保密特性得到了证明。基于量子密钥的OTP能够解决通信数据的完全保密传输问题。QKD在密钥分发速率方面达到50Mb/s，甚至达到1Gb/s以上，基于量子密钥的OTP就能够实现保密语音通信、一些重要数据的实时保密通信等，并且这种应用不存在所使用密钥或者密码算法可能存在安全漏洞的隐患。
本发明中，通过北斗卫星上设置有量子密钥分发设备和量子通信设备，通过星地量子纠缠分发实现北斗卫星与地面光纤量子通信网络进行加密信息传输通讯，实现全球范围内卫星通讯的量子通信，解决了通过光纤进行量子通信的衰减较大的问题，并且基于卫星的量子通信信息传输加密能够保证高保密的信息传输要求，通过卫星进行信息的量子密钥加密保证了不可人为对量子密钥加密设备进行更改，进一步保障了信息加密的不可篡改性。其中量子密钥分发设备和地面光纤量子通信网络的量子纠缠分发设备实现星地量子纠缠分发，实现大尺度量子非定域性检验。
量子纠缠被之为“鬼魅般的超距作用”，它是两个(或多个)粒子共同组成的量子状态，无论粒子之间相隔多远，测量其中一个粒子必然会影响其它粒子，这被称为量子力学非定域性。量子纠缠所体现的非定域性是量子力学最神奇的现象之一。量子纠缠分发是把制备好的两个纠缠粒子(通常为光子)分别发送到相距很远的两个点。通过观察两个点的统计测量结果是否破坏贝尔不等式，可以验证量子力学非定域性的存在。同时，利用量子纠缠所建立起的量子信道也是构建量子信息处理网络的基本单元。
进一步，所述地面光纤量子通信网络的量子纠缠分发设备进行发送纠缠光子的方法通过干涉度量的方法实现多光子的量子纠缠。
多光子纠缠和干涉度量学就是通过干涉度量的方法实现多光子的量子纠缠。下图就是通过干涉形成双光子纠缠的方法：一个紫外光脉冲照射一种叫做BBO的晶体，可以有一定概率产生一对光子(记作o光子和e光子)。两个光子通过在偏振分束器(PBS)上的一次干涉，就可以形成一个纠缠态|HH＞+|VV＞(即当o光子是H偏振时，e光子一定也是H偏振，反之当o光子是V偏振时，e光子一定也是V偏振)。把双光子干涉产生纠缠的方法层层累加，扩展到更多的光子，就可以形成更多光子的纠缠。
量子纠缠分发设备进行发送纠缠光子的方法通过干涉度量的方法实现多光子的量子纠缠，可以实现多纠缠光子对的分发，其应用范围更广。
进一步，所述高速量子密钥分发采用位帧同步的方法进行量子密钥分发。所述位帧同步方法采用已有的方法，包括以下步骤：步骤一，发送方生成一组特殊数据作为同步帧；步骤二，发送方通过量子信道把相干态发送给接收方；步骤三，接收方使用平衡零差检测器测量相干态的位移分量；步骤四，根据步骤一从经典信道获得的特殊数据的结构信息，接收方选定合适的交替电压判定阈值和帧同步段判定阈值来判定同步帧；步骤五，若在规定的时间里，接收方都没有搜寻到同步帧，则同步失败，此时接收方需要调整交替电压判定阈值的取值和帧同步段判定阈值的取值，然后重新通信。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.基于北斗卫星与量子通信技术结合的信息传输加密的方法，其特征在于：方法如下：
北斗卫星上设置有量子密钥分发设备和量子通信设备，通过北斗卫星与地面光纤量子通信网络进行加密信息传输通讯，其信息传输加密通讯的方法步骤如下：
S1、地面光纤量子通信网络通过量子纠缠分发技术发送纠缠光子进行地面光纤量子通信网络与北斗卫星的量子通信设备之间的量子通信；
S2、北斗卫星上的量子通信设备接收到地面光纤量子通信网络发来的量子通信纠缠光子信号后，对其进行信息识别，并通过量子密钥分发设备对该通信信号进行高速量子密钥分发，并将经过量子密钥加密的通信信号返回至地面光纤量子通信网络；
S3、地面光纤量子通信网络接收到加密的通信信号之后进行量子密钥解密。
2.根据权利要求1所述的基于北斗卫星与量子通信技术结合的信息传输加密的方法，其特征在于：所述量子密钥分发设备对该通信信号进行高速量子密钥分发并传输至地面光纤量子通信网络的方法如下：
S2.1、量子密钥分发设备对接收到的一系列纠缠光子进行随机编码为四个偏振方向；
S2.2、地面光纤量子通信网络的接收方对接收到的纠缠光子进行偏振测量；
S2.3、地面光纤量子通信网络的接收方在公开信道上公布每次测量基的类型及没测量到任何信号的事件序列，但不公布每次有效测量事件中所测到的具体结果；
S2.4、如果没有窃听干扰，则双方各自经典二进制数据系列应相同，如果有窃听行为，因而将至少导致发送方和接收方有一半的二进制数据不相符合，得知信息有泄露。
3.根据权利要求1所述的基于北斗卫星与量子通信技术结合的信息传输加密的方法，其特征在于：所述地面光纤量子通信网络通过单光子探测器接收北斗卫星上的量子密钥分发设备所发出的纠缠光子。
4.根据权利要求1所述的基于北斗卫星与量子通信技术结合的信息传输加密的方法，其特征在于：所述地面光纤量子通信网络通过量子纠缠分发设备进行发送纠缠光子。
5.根据权利要求4所述的基于北斗卫星与量子通信技术结合的信息传输加密的方法，其特征在于：所述地面光纤量子通信网络的量子纠缠分发设备进行发送纠缠光子的方法通过干涉度量的方法实现多光子的量子纠缠。
6.根据权利要求1所述的基于北斗卫星与量子通信技术结合的信息传输加密的方法，其特征在于：所述高速量子密钥分发采用位帧同步的方法进行量子密钥分发。
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