CN111083000B - 量子密钥分发方法和系统、计算机可读存储介质 - Google Patents

量子密钥分发方法和系统、计算机可读存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种量子密钥分发方法和系统、计算机可读存储介质。该量子密钥分发方法包括：利用系统生成的量子真随机数，结合预定随机数算法生成真随机数；采用真随机数控制量子态的制备和测量，实现量子密钥的分发。本发明利用系统生成的量子真随机数结合随机数算法生成系统所需的真随机数，采用真随机数控制量子态的制备和测量，实现量子密钥的分发，从而满足了量子态的制备和测量的随机性要求。

Description

量子密钥分发方法和系统、计算机可读存储介质
技术领域
本发明涉及量子保密通信领域，特别涉及一种量子密钥分发方法和系统、计算机可读存储介质。
背景技术
QKD(Quantum Key Distribution，量子密钥分发)是密码学与量子力学相结合的产物，以量子态为信息载体，基于量子力学的测不准关系和量子不可克隆定理，通过量子信道使通信收发双方共享密钥，QKD技术在通信中并不传输密文，而是利用量子信道传输密钥，将密钥分配到通信双方。
真随机数序列指从实际的随机物理过程中得到的、完全不可预测的随机数序列，不具有周期性；而伪随机数序列是指通过一定的算法得到的、在一定周期内具有随机数特征的序列，并不是真正的随机数序列。
发明内容
申请人发现：随机数在QKD系统中占有重要的位置，其主要参与了量子态的制备和测量，系统通信双方最终密钥随机性取决于参与了量子态制备和测量随机数的随机性。当接收端的测量基矢与发送端光量子的制备态相兼容时，则可以确定的测量到该量子态。而接收端的测量基矢与发送端光量子的制备态相不兼容时，则根据测量塌缩原理会概率性的塌缩到两个态上，这个概率体现为真随机性。在实际QKD系统中，确定的测量数据将作为系统分发的密钥，而随机数据将被丢弃。
鉴于以上技术问题，本发明提供了一种量子密钥分发方法和系统、计算机可读存储介质，采用真随机数控制量子态的制备和测量，实现量子密钥的分发。
根据本发明的一个方面，提供一种量子密钥分发方法，包括：
利用系统生成的量子真随机数，结合预定随机数算法生成真随机数；
采用真随机数控制量子态的制备和测量，实现量子密钥的分发。
在本发明的一些实施例中，所述量子密钥分发方法还包括：
判断系统是否生成量子密钥；
在系统生成量子密钥的情况下，执行利用系统生成的量子真随机数，结合预定随机数算法生成真随机数的步骤。
在本发明的一些实施例中，所述量子密钥分发方法还包括：
系统初始化后，生成伪随机数；
采用伪随机数控制光量子的发送和接收，之后执行判断系统是否生成量子密钥的步骤。
在本发明的一些实施例中，所述量子密钥分发方法还包括：
在采用真随机数控制量子态的制备和测量，实现量子密钥的分发之后，执行判断系统是否生成量子密钥的步骤。
在本发明的一些实施例中，采用真随机数控制量子态的制备和测量，实现量子密钥的分发包括：
采用真随机数控制光量子的发送和接收。
在本发明的一些实施例中，采用真随机数控制量子态的制备和测量，实现量子密钥的分发包括：
采用真随机数控制量子光发送模块发射经过调制后的光量子；
与对端系统的接收控制模块通信测量基矢信息，生成量子密钥。
在本发明的一些实施例中，采用真随机数控制量子态的制备和测量，实现量子密钥的分发还包括：
采用真随机数控制量子光接收模块采用不同基矢接收经过线路后的光量子；
与对端系统的发送控制模块通信，生成量子密钥和量子真随机数。
根据本发明的另一方面，提供一种量子密钥分发系统，包括：
随机数生成模块，用于利用系统生成的量子真随机数，结合预定随机数算法生成真随机数；
控制模块，用于采用真随机数控制量子态的制备和测量，实现量子密钥的分发。
在本发明的一些实施例中，随机数生成模块还用于判断系统是否生成量子密钥；在系统生成量子密钥的情况下，执行利用系统生成的量子真随机数，结合预定随机数算法生成真随机数的操作。
在本发明的一些实施例中，随机数生成模块还用于在系统初始化后，生成伪随机数；采用伪随机数控制光量子的发送和接收，之后执行判断系统是否生成量子密钥的操作。
在本发明的一些实施例中，随机数生成模块还用于在控制模块采用真随机数控制量子态的制备和测量，实现量子密钥的分发之后，执行判断系统是否生成量子密钥的操作。
在本发明的一些实施例中，控制模块用于采用真随机数控制光量子的发送和接收。
在本发明的一些实施例中，所述量子密钥分发系统还包括量子光发送模块，控制模块包括发送控制模块，其中：
发送控制模块，用于采用随机数生成模块生成的真随机数控制量子光发送模块发射经过调制后的光量子；与对端系统的接收控制模块通信测量基矢信息，生成量子密钥；
量子光发送模块，用于发射调制后的光量子。
在本发明的一些实施例中，所述量子密钥分发系统还包括量子光接收模块，控制模块包括接收控制模块，其中：
接收控制模块，用于采用随机数生成模块生成的真随机数控制量子光接收模块采用不同基矢接收经过线路后的光量子；与对端系统的发送控制模块通信，生成量子密钥和量子真随机数，将生成的量子真随机数发送给随机数生成模块；
量子光接收模块，用于接收经过基矢比对后的光量子，将检测信息上报给接收控制模块。
根据本发明的另一方面，提供一种量子密钥分发系统，包括：
存储器，用于存储指令；
处理器，用于执行所述指令，使得所述量子密钥分发系统执行实现如上述任一实施例所述的量子密钥分发方法的操作。
根据本发明的另一方面，提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述指令被处理器执行时实现如上述任一实施例所述的量子密钥分发方法。
本发明利用系统生成的量子真随机数结合随机数算法生成系统所需的真随机数，采用真随机数控制量子态的制备和测量，实现量子密钥的分发，从而满足了量子态的制备和测量的随机性要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。
图1为本发明量子密钥分发系统一些实施例的示意图。
图2为本发明量子密钥分发系统另一些实施例的示意图。
图3为本发明量子密钥分发方法一些实施例的示意图。
图4为本发明量子密钥分发方法另一些实施例的示意图。
图5为本发明量子密钥分发系统又一些实施例的示意图。
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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
图1为本发明量子密钥分发系统一些实施例的示意图。如图1所示，所述量子密钥分发系统可以包括随机数生成模块11和控制模块12，其中：
随机数生成模块11，用于利用系统生成的量子真随机数，结合预定随机数算法生成真随机数。
在本发明的一些实施例中，随机数生成模块11还可以用于判断系统是否生成量子密钥；在系统生成量子密钥的情况下，执行利用系统生成的量子真随机数，结合预定随机数算法生成真随机数的操作。
在本发明的一些实施例中，随机数生成模块11还可以用于在系统初始化后，生成伪随机数；采用伪随机数控制光量子的发送和接收，之后执行判断系统是否生成量子密钥的操作。
在本发明的一些实施例中，随机数生成模块11还可以用于在控制模块12采用真随机数控制量子态的制备和测量，实现量子密钥的分发之后，执行判断系统是否生成量子密钥的操作。
控制模块12，用于采用真随机数控制量子态的制备和测量，实现量子密钥的分发。
在本发明的一些实施例中，控制模块12可以用于采用真随机数控制光量子的发送和接收。
基于本发明上述实施例提供的量子密钥分发系统，可以利用系统生成的量子真随机数结合随机数算法生成系统所需的真随机数，采用真随机数控制量子态的制备和测量，实现量子密钥的分发，从而满足了量子态的制备和测量的随机性要求。
图2为本发明量子密钥分发系统另一些实施例的示意图。在图2实施例中，所述量子密钥分发系统可以包括随机数生成模块11、量子光发送模块13和发送控制模块121，而图1实施例的控制模块12可以包括发送控制模块121，其中：
随机数生成模块11，用于利用接收控制模块14生成的量子真随机数，结合预定随机数算法，生成真随机数。
发送控制模块121，用于采用随机数生成模块11生成的真随机数控制量子光发送模块13发射经过调制后的光量子；与对端系统的接收控制模块通信测量基矢信息，生成量子密钥。
量子光发送模块13，用于发射调制后的光量子。
在本发明的一些实施例中，如图2所示，所述量子密钥分发系统还可以包括量子光接收模块14，图1实施例的控制模块12还可以包括接收控制模块122，其中：
接收控制模块122，用于采用随机数生成模块11生成的真随机数控制量子光接收模块14采用不同基矢接收经过线路后的光量子；与对端系统的发送控制模块121通信，生成量子密钥和量子真随机数，将生成的量子真随机数发送给随机数生成模块11。
量子光接收模块14，用于接收经过基矢比对后的光量子，将检测信息上报给接收控制模块122。
针对量子态的制备和测量需要随机数的问题，本发明上述实施例提出了一种采用量子真随机数的量子密钥分发系统，该系统通过整合随机数生成模块、发送控制模块、量子光发送模块、接收控制模块、量子光接收模块，可以实现量子密钥的分发；同时，本发明上述实施例还可以利用量子密钥分发双方在生成量子密钥过程中产生的真随机数据，解决了QKD系统随机性的问题。
在本发明的一些实施例中，随机数生成模块11还可以用于在系统初始化后，生成伪随机数；采用伪随机数控制发送端发送光量子，控制接收端接收光量子；判断系统是否生成量子密钥。在系统生成量子密钥的情况下，将生成的量子真随机数输入随机数生成模块，产生真随机数。系统使用真随机数控制发送端发送光量子，控制接收端接收光量子。如果系统继续生成量子密钥，则将生成的量子密钥输出，同时继续将生成的量子随机数输入随机数生成模块，生成真随机数。
本发明上述实施例的量子密钥分发系统具备采用真随机数控制量子态的制备和测量的能力，可以满足系统随机性要求，同时可以避免真随机数生成所需的器件或芯片要求。
本发明上述实施例提出了一种采用量子真随机数的量子密钥分发系统，该系统采用真随机数控制量子态的制备和测量，可以实现量子密钥的分发。
本发明上述实施例可以利用系统生成的量子真随机数结合随机数算法生成系统所需的真随机数，从而满足量子态的制备和测量的随机性要求。
图3为本发明量子密钥分发方法一些实施例的示意图。优选的，本实施例可由本发明量子密钥分发系统(例如图1或图2实施例的量子密钥分发系统)执行。如图3所示，所述量子密钥分发方法可以包括：
步骤31，利用系统生成的量子真随机数，结合预定随机数算法生成真随机数。
步骤32，采用真随机数控制量子态的制备和测量，实现量子密钥的分发。
在本发明的一些实施例中，步骤32可以包括：采用真随机数控制光量子的发送和接收。
在本发明的一些实施例中，步骤32可以包括：
步骤321，发送控制模块121采用真随机数控制量子光发送模块13发射经过调制后的光量子。
步骤322，发送控制模块121与对端系统的接收控制模块122通信测量基矢信息，生成量子密钥。
步骤323，接收控制模块122采用真随机数控制量子光接收模块14采用不同基矢接收经过线路后的光量子。
在本发明的一些实施例中，所述线路可以为无源光纤。
步骤324，接收控制模块122与对端系统的发送控制模块121通信，生成量子密钥和量子真随机数。
基于本发明上述实施例提供的量子密钥分发方法，可以利用系统生成的量子真随机数结合随机数算法生成系统所需的真随机数，采用真随机数控制量子态的制备和测量，实现量子密钥的分发，从而满足了量子态的制备和测量的随机性要求。
图4为本发明量子密钥分发方法另一些实施例的示意图。优选的，本实施例可由本发明量子密钥分发系统(例如图1或图2实施例的量子密钥分发系统)执行。图4实施例的步骤44和45分别与图3实施例的步骤31和32相同或类似。如图4所示，所述量子密钥分发方法可以包括：
步骤41，系统初始化后，生成伪随机数。
步骤42，采用伪随机数控制光量子的发送和接收。
在本发明的一些实施例中，步骤42可以包括：采用伪随机数控制量子光发送模块发送光量子，控制量子光接收模块接收光量子。
步骤43，判断系统是否生成量子密钥。
步骤44，在系统生成量子密钥的情况下，将生成的量子真随机数输入随机数生成模块，随机数生成模块利用系统生成的量子真随机数，结合预定随机数算法生成真随机数。
步骤45，采用真随机数控制量子态的制备和测量，实现量子密钥的分发。
在本发明的一些实施例中，步骤45可以包括：采用真随机数控制量子光发送模块发送光量子，控制量子光接收模块接收光量子。
在本发明的一些实施例中，步骤45之后，所述量子密钥分发方法还可以包括：执行判断系统是否生成量子密钥的步骤，即执行步骤43。
在本发明的一些实施例中，在步骤45中，如果系统继续生成量子密钥，则将生成的量子密钥输出，同时继续将生成的量子随机数输入随机数生成模块，生成真随机数。
针对量子态的制备和测量需要随机数的问题，本发明上述实施例提出了一种采用量子真随机数的量子密钥分发方法，可以实现量子密钥的分发；同时，本发明上述实施例还可以利用量子密钥分发双方在生成量子密钥过程中产生的真随机数据，解决了QKD系统随机性的问题。
本发明上述实施例的量子密钥分发系统具备采用真随机数控制量子态的制备和测量的能力，可以满足系统随机性要求，同时可以避免真随机数生成所需的器件或芯片要求。
本发明上述实施例提出了一种采用量子真随机数的量子密钥分发方法，采用真随机数控制量子态的制备和测量，可以实现量子密钥的分发。
本发明上述实施例可以利用系统生成的量子真随机数结合随机数算法生成系统所需的真随机数，从而满足量子态的制备和测量的随机性要求。
图5为本发明量子密钥分发系统又一些实施例的示意图。如图5所示，所述量子密钥分发系统可以包括存储器51和处理器52，其中：
存储器51，用于存储指令；
处理器52，用于执行所述指令，使得所述量子密钥分发系统执行实现如上述任一实施例(例如图3或图4实施例)所述的量子密钥分发方法的操作。
针对量子态的制备和测量需要随机数的问题，本发明上述实施例提出了一种采用量子真随机数的量子密钥分发系统，可以实现量子密钥的分发；同时，本发明上述实施例还可以利用量子密钥分发双方在生成量子密钥过程中产生的真随机数据，解决了QKD系统随机性的问题。
本发明上述实施例的量子密钥分发系统具备采用真随机数控制量子态的制备和测量的能力，可以满足系统随机性要求，同时可以避免真随机数生成所需的器件或芯片要求。
本发明上述实施例提出了一种采用量子真随机数的量子密钥分发方法，采用真随机数控制量子态的制备和测量，可以实现量子密钥的分发。
本发明上述实施例可以利用系统生成的量子真随机数结合随机数算法生成系统所需的真随机数，从而满足量子态的制备和测量的随机性要求。
根据本发明的另一方面，提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述指令被处理器执行时实现如上述任一实施例所述的量子密钥分发方法。
基于本发明上述实施例提供的计算机可读存储介质，可以利用系统生成的量子真随机数结合随机数算法生成系统所需的真随机数，采用真随机数控制量子态的制备和测量，实现量子密钥的分发，从而满足了量子态的制备和测量的随机性要求。
在上面所描述的量子密钥分发系统可以实现为用于执行本申请所描述功能的通用处理器、可编程逻辑控制器(PLC)、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件或者其任意适当组合。
至此，已经详细描述了本发明。为了避免遮蔽本发明的构思，没有描述本领域所公知的一些细节。本领域技术人员根据上面的描述，完全可以明白如何实施这里公开的技术方案。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (8)

1.一种量子密钥分发方法，其特征在于，包括：
系统初始化后，生成伪随机数；
采用伪随机数控制光量子的发送和接收；
判断系统是否生成量子密钥；
在系统生成量子密钥的情况下，利用系统生成的量子真随机数，结合预定随机数算法生成真随机数；
采用真随机数控制量子态的制备和测量，实现量子密钥的分发；
其中，采用真随机数控制量子态的制备和测量，实现量子密钥的分发包括：
采用真随机数控制量子光发送模块发射经过调制后的光量子；
与对端系统的接收控制模块通信测量基矢信息，生成量子密钥；
其中，采用真随机数控制量子态的制备和测量，实现量子密钥的分发还包括：
采用真随机数控制量子光接收模块采用不同基矢接收经过线路后的光量子；
与对端系统的发送控制模块通信，生成量子密钥和量子真随机数。
2.根据权利要求1所述的量子密钥分发方法，其特征在于，还包括：
在采用真随机数控制量子态的制备和测量，实现量子密钥的分发之后，执行判断系统是否生成量子密钥的步骤。
3.根据权利要求1或2所述的量子密钥分发方法，其特征在于，采用真随机数控制量子态的制备和测量，实现量子密钥的分发包括：
采用真随机数控制光量子的发送和接收。
4.一种量子密钥分发系统，其特征在于，包括：
随机数生成模块，用于在系统初始化后，生成伪随机数；采用伪随机数控制光量子的发送和接收；判断系统是否生成量子密钥；在系统生成量子密钥的情况下，利用系统生成的量子真随机数，结合预定随机数算法生成真随机数；
控制模块，用于采用真随机数控制量子态的制备和测量，实现量子密钥的分发；
其中，所述量子密钥分发系统还包括量子光发送模块，控制模块包括发送控制模块，其中：
发送控制模块，用于采用随机数生成模块生成的真随机数控制量子光发送模块发射经过调制后的光量子；与对端系统的接收控制模块通信测量基矢信息，生成量子密钥；
量子光发送模块，用于发射调制后的光量子；
其中，所述量子密钥分发系统还包括量子光接收模块，控制模块包括接收控制模块，其中：
接收控制模块，用于采用随机数生成模块生成的真随机数控制量子光接收模块采用不同基矢接收经过线路后的光量子；与对端系统的发送控制模块通信，生成量子密钥和量子真随机数，将生成的量子真随机数发送给随机数生成模块；
量子光接收模块，用于接收经过基矢比对后的光量子，将检测信息上报给接收控制模块。
5.根据权利要求4所述的量子密钥分发系统，其特征在于，
随机数生成模块还用于在控制模块采用真随机数控制量子态的制备和测量，实现量子密钥的分发之后，执行判断系统是否生成量子密钥的操作。
6.根据权利要求4或5所述的量子密钥分发系统，其特征在于，控制模块用于采用真随机数控制光量子的发送和接收。
7.一种量子密钥分发系统，其特征在于，包括：
存储器，用于存储指令；
处理器，用于执行所述指令，使得所述量子密钥分发系统执行实现如权利要求1-3中任一项所述的量子密钥分发方法的操作。
8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述指令被处理器执行时实现如权利要求1-3中任一项所述的量子密钥分发方法。
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Assignee: Tianyiyun Technology Co.,Ltd.

Assignor: CHINA TELECOM Corp.,Ltd.

Contract record no.: X2024110000020

Denomination of invention: Quantum key distribution methods and systems, computer-readable storage media

Granted publication date: 20220218

License type: Common License

Record date: 20240315