CN111130783A - 基于两种不同粒子状态的双向量子密钥分发方法 - Google Patents

基于两种不同粒子状态的双向量子密钥分发方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于两种不同粒子状态的双向量子密钥分发方法，协议的双方Alice和Bob都是密钥的发送方和接收方，是一个双向通信的协议，每个参与者给出一半的经典序列来生成最终的密钥，在多节点的通信网络中，两个组织（机构）之间建立通信是建立在平等的、安全的基础上的，秘密密钥由双方共同决定产生，并且具有较好的效率。同时，本发明中协议的参与者Alice和Bob制备不同基上的量子态，这会增加外部攻击者在密钥传输过程中的攻击难度，能够很好的保护密钥分发的安全性。此外，本发明改变了传统的密钥分发模式，取消了一个量子功能强大的可信第三方，在多节点的应用环境中能够有效的控制设备成本。

Description

基于两种不同粒子状态的双向量子密钥分发方法
技术领域
本发明属于量子通信技术领域，具体涉及一种基于两种不同粒子状态的双向量子密钥分发方法的设计。
背景技术
现有的量子密钥分发协议（QKD）大多数主要由密钥的分发方和密钥的接收方组成，双方要建立一次安全的通信参与者双方都需获得一个只有他们自己知道的密钥，现有的QKD有两种模式：参与者中的一方分发给另一方的分发模式和依赖于可信第三方的分发模式。在第一种分发模式当中存在着不平等的关系，而第二种分发模式又过于依赖可信第三方，在互联网发展迅速的前提下，在多节点的通信网络中双方或多方建立通信所需要的条件较高。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于两种不同粒子状态的双向量子密钥分发方法，改变传统的密钥分发模式，取消一个量子功能强大的可信第三方，在多节点的应用环境中能够有效的控制设备成本。
本发明的技术方案为：基于两种不同粒子状态的双向量子密钥分发方法，包括以下步骤：
S1、第一协议方Alice随机生成二进制字符串
Figure 993415DEST_PATH_IMAGE001
，并根据二进制字符串
Figure 208365DEST_PATH_IMAGE002
中的字符
Figure 327630DEST_PATH_IMAGE003
制备对应的单光子态粒子；其中
Figure 226623DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 64129DEST_PATH_IMAGE005
为最后得到密钥的长度。
S2、第一协议方Alice对制备完成的单光子态粒子随机进行H操作或I操作，并将H操作或I操作后得到的粒子发送给第二协议方Bob。
S3、第二协议方Bob对接收到的粒子进行H操作或I操作，并对H操作或I操作后得到的粒子进行Z基测量，得到粒子具体的量子态，并进行窃听检测。
S4、第一协议方Alice和第二协议方Bob进行讨论，保留使用相同操作的粒子，同时第一协议方Alice更新二进制字符串
Figure 817191DEST_PATH_IMAGE002
，第二协议方Bob获取二进制字符串
Figure 181176DEST_PATH_IMAGE002
。
S5、第二协议方Bob随机生成二进制字符串
Figure 10592DEST_PATH_IMAGE006
，并根据二进制字符串
Figure 319082DEST_PATH_IMAGE002
中的字符
Figure 892146DEST_PATH_IMAGE007
和二进制字符串
Figure 503780DEST_PATH_IMAGE008
中的字符
Figure 238518DEST_PATH_IMAGE009
制备对应的Bell态粒子；其中
Figure 175250DEST_PATH_IMAGE010
。
S6、第二协议方Bob对制备完成的Bell态粒子进行H操作后发送给第一协议方Alice。
S7、第一协议方Alice将接收到的粒子还原为第二协议方Bob制备的Bell态粒子，并进行Bell基测量，获取二进制字符串
Figure 270114DEST_PATH_IMAGE008
。
S8、第一协议方Alice将Bell基测量的一半结果公开，进行窃听检测，同时第一协议方Alice和第二协议方Bob更新二进制字符串
Figure 218478DEST_PATH_IMAGE008
。
S9、第一协议方Alice和第二协议方Bob得到对方的密钥，双方结合对方的密钥和自己的密钥进行通信。
进一步地，步骤S1中第一协议方Alice根据二进制字符串
Figure 576647DEST_PATH_IMAGE002
中的字符
Figure 128239DEST_PATH_IMAGE011
制备对应的单光子态粒子的具体方法为：
若
Figure 43105DEST_PATH_IMAGE012
，则第一协议方Alice制备单光子态粒子
Figure 501769DEST_PATH_IMAGE013
；若
Figure 93156DEST_PATH_IMAGE014
，则第一协议方Alice制备单光子态粒子
Figure 879846DEST_PATH_IMAGE015
。
进一步地，步骤S2和S3中H操作具体为：将单光子态粒子
Figure 582092DEST_PATH_IMAGE013
转变为
Figure 898191DEST_PATH_IMAGE016
，将单光子态粒子
Figure 411212DEST_PATH_IMAGE017
转变为
Figure 403308DEST_PATH_IMAGE018
。
进一步地，步骤S2和S3中I操作具体为：保持单光子态粒子
Figure 659977DEST_PATH_IMAGE013
和
Figure 686707DEST_PATH_IMAGE015
不变。
进一步地，步骤S5中第二协议方Bob根据二进制字符串
Figure 370630DEST_PATH_IMAGE002
中的字符
Figure 115601DEST_PATH_IMAGE011
和二进制字符串
Figure 644802DEST_PATH_IMAGE008
中的字符
Figure 947212DEST_PATH_IMAGE019
制备对应的Bell态粒子的具体方法为：
若
Figure 785724DEST_PATH_IMAGE020
，则第二协议方Bob制备Bell态粒子
Figure 768724DEST_PATH_IMAGE021
；若
Figure 350884DEST_PATH_IMAGE022
，则第二协议方Bob制备Bell态粒子
Figure 102939DEST_PATH_IMAGE023
；若
Figure 112352DEST_PATH_IMAGE024
，则第二协议方Bob制备Bell态粒子
Figure 582648DEST_PATH_IMAGE025
；若
Figure 971428DEST_PATH_IMAGE026
，则第二协议方Bob制备Bell态粒子
Figure 577990DEST_PATH_IMAGE027
。
进一步地，步骤S6中H操作具体为：将Bell态粒子
Figure 23884DEST_PATH_IMAGE021
转变为叠加态粒子
Figure 106109DEST_PATH_IMAGE028
，将Bell态粒子
Figure 46384DEST_PATH_IMAGE023
转变为叠加态粒子
Figure 959982DEST_PATH_IMAGE029
，将Bell态粒子
Figure 438761DEST_PATH_IMAGE025
转变为叠加态粒子
Figure 883649DEST_PATH_IMAGE030
，将Bell态粒子
Figure 814565DEST_PATH_IMAGE027
转变为叠加态粒子
Figure 785932DEST_PATH_IMAGE031
。
本发明的有益效果是：
（1）在本发明中，协议的双方Alice和Bob都是密钥的发送方和接收方，是一个双向通信的协议，每个参与者给出一半的经典序列来生成最终的密钥，在多节点的通信网络中，两个组织（机构）之间建立通信是建立在平等的、安全的基础上的，秘密密钥由双方共同决定产生，并且具有较好的效率。
（2）本发明中协议的参与者Alice和Bob制备不同基上的量子态，这会增加外部攻击者在密钥传输过程中的攻击难度，能够很好的保护密钥分发的安全性。
（3）本发明改变了传统的密钥分发模式，取消了一个量子功能强大的可信第三方，在多节点的应用环境中能够有效的控制设备成本。
附图说明
图1所示为本发明实施例提供的基于两种不同粒子状态的双向量子密钥分发方法流程图。
具体实施方式
现在将参考附图来详细描述本发明的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本发明的原理和精神，而并非限制本发明的范围。
本发明实施例提供了一种基于两种不同粒子状态的双向量子密钥分发方法，如图1所示，包括以下步骤S1~S9：
S1、第一协议方Alice随机生成二进制字符串
Figure 107716DEST_PATH_IMAGE001
，并根据二进制字符串
Figure 164534DEST_PATH_IMAGE002
中的字符
Figure 712190DEST_PATH_IMAGE007
制备对应的单光子态粒子；其中
Figure 131539DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 106448DEST_PATH_IMAGE005
为最后得到密钥的长度。
本发明实施例中，若
Figure 244037DEST_PATH_IMAGE012
，则第一协议方Alice制备单光子态粒子
Figure 64226DEST_PATH_IMAGE013
；若
Figure 594871DEST_PATH_IMAGE014
，则第一协议方Alice制备单光子态粒子
Figure 475103DEST_PATH_IMAGE015
。
S2、第一协议方Alice对制备完成的单光子态粒子随机进行H操作或I操作，并将H操作或I操作后得到的粒子发送给第二协议方Bob。
S3、第二协议方Bob对接收到的粒子进行H操作或I操作，并对H操作或I操作后得到的粒子进行Z基测量，得到粒子具体的量子态，并进行窃听检测。
本发明实施例中，针对步骤S2和S3中的单光子态粒子，H操作具体为：将单光子态粒子
Figure 240933DEST_PATH_IMAGE013
转变为
Figure 114080DEST_PATH_IMAGE016
，将单光子态粒子
Figure 258754DEST_PATH_IMAGE015
转变为
Figure 824733DEST_PATH_IMAGE032
；I操作具体为：保持单光子态粒子
Figure 687647DEST_PATH_IMAGE013
和
Figure 101835DEST_PATH_IMAGE015
不变。
本发明实施例中，Z基测量的主要目的是得到粒子具体的量子态，其次是通过量子测不准原理从而达到窃听检测的功能。
S4、第一协议方Alice和第二协议方Bob进行讨论，保留使用相同操作的粒子，同时第一协议方Alice更新二进制字符串
Figure 632174DEST_PATH_IMAGE002
，第二协议方Bob获取二进制字符串
Figure 837896DEST_PATH_IMAGE002
。
S5、第二协议方Bob随机生成二进制字符串
Figure 188106DEST_PATH_IMAGE006
，并根据二进制字符串
Figure 403055DEST_PATH_IMAGE002
中的字符
Figure 787900DEST_PATH_IMAGE007
和二进制字符串
Figure 430103DEST_PATH_IMAGE008
中的字符
Figure 926331DEST_PATH_IMAGE019
制备对应的Bell态粒子；其中
Figure 85917DEST_PATH_IMAGE033
。
本发明实施例中，第二协议方Bob制备Bell态粒子的策略如表1所示：
表1 Bob制备Bell态的策略
Figure 590848DEST_PATH_IMAGE035
S6、第二协议方Bob对制备完成的Bell态粒子进行H操作后发送给第一协议方Alice。
本发明实施例中，针对步骤S6中的Bell态粒子，H操作具体如表2所示：
表2 Bell粒子的H操作结果
Figure 935110DEST_PATH_IMAGE037
S7、第一协议方Alice将接收到的粒子还原为第二协议方Bob制备的Bell态粒子，并进行Bell基测量，获取二进制字符串
Figure 994333DEST_PATH_IMAGE008
。
本发明实施例中，Bell基测量的目的是得到粒子的量子态，从而获取最终密钥，起到窃听检测的作用。
S8、第一协议方Alice将Bell基测量的一半结果公开，进行窃听检测，同时第一协议方Alice和第二协议方Bob更新二进制字符串
Figure 692031DEST_PATH_IMAGE008
。
S9、第一协议方Alice和第二协议方Bob得到对方的密钥，双方结合对方的密钥和自己的密钥进行通信。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.基于两种不同粒子状态的双向量子密钥分发方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、第一协议方Alice随机生成二进制字符串
Figure 613856DEST_PATH_IMAGE001
，并根据二进制字符串
Figure 318507DEST_PATH_IMAGE002
中的字符
Figure 394435DEST_PATH_IMAGE003
制备对应的单光子态粒子；其中
Figure 424708DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 583157DEST_PATH_IMAGE005
为最后得到密钥的长度；
S2、第一协议方Alice对制备完成的单光子态粒子随机进行H操作或I操作，并将H操作或I操作后得到的粒子发送给第二协议方Bob；
S3、第二协议方Bob对接收到的粒子进行H操作或I操作，并对H操作或I操作后得到的粒子进行Z基测量，得到粒子具体的量子态，并进行窃听检测；
S4、第一协议方Alice和第二协议方Bob进行讨论，保留使用相同操作的粒子，同时第一协议方Alice更新二进制字符串
Figure 357078DEST_PATH_IMAGE006
，第二协议方Bob获取二进制字符串
Figure 284583DEST_PATH_IMAGE007
；
S5、第二协议方Bob随机生成二进制字符串
Figure 813653DEST_PATH_IMAGE008
，并根据二进制字符串
Figure 459398DEST_PATH_IMAGE009
中的字符
Figure 774360DEST_PATH_IMAGE010
和二进制字符串
Figure 821951DEST_PATH_IMAGE011
中的字符
Figure 194026DEST_PATH_IMAGE012
制备对应的Bell态粒子；其中
Figure 592646DEST_PATH_IMAGE013
；
S6、第二协议方Bob对制备完成的Bell态粒子进行H操作后发送给第一协议方Alice；
S7、第一协议方Alice将接收到的粒子还原为第二协议方Bob制备的Bell态粒子，并进行Bell基测量，获取二进制字符串
Figure 708370DEST_PATH_IMAGE014
；
S8、第一协议方Alice将Bell基测量的一半结果公开，进行窃听检测，同时第一协议方Alice和第二协议方Bob更新二进制字符串
Figure 813729DEST_PATH_IMAGE011
；
S9、第一协议方Alice和第二协议方Bob得到对方的密钥，双方结合对方的密钥和自己的密钥进行通信。
2.根据权利要求1所述的双向量子密钥分发方法，其特征在于，所述步骤S1中第一协议方Alice根据二进制字符串
Figure 153444DEST_PATH_IMAGE006
中的字符
Figure 508202DEST_PATH_IMAGE015
制备对应的单光子态粒子的具体方法为：
若
Figure 622089DEST_PATH_IMAGE016
，则第一协议方Alice制备单光子态粒子
Figure 175430DEST_PATH_IMAGE017
；若
Figure 92571DEST_PATH_IMAGE018
，则第一协议方Alice制备单光子态粒子
Figure 200204DEST_PATH_IMAGE019
。
3.根据权利要求2所述的双向量子密钥分发方法，其特征在于，所述步骤S2和S3中H操作具体为：将单光子态粒子
Figure 923310DEST_PATH_IMAGE020
转变为
Figure 534419DEST_PATH_IMAGE021
，将单光子态粒子
Figure 684778DEST_PATH_IMAGE022
转变为
Figure 14128DEST_PATH_IMAGE023
。
4.根据权利要求2所述的双向量子密钥分发方法，其特征在于，所述步骤S2和S3中I操作具体为：保持单光子态粒子
Figure 278275DEST_PATH_IMAGE024
和
Figure 743891DEST_PATH_IMAGE025
不变。
5.根据权利要求1所述的双向量子密钥分发方法，其特征在于，所述步骤S5中第二协议方Bob根据二进制字符串
Figure 393047DEST_PATH_IMAGE006
中的字符
Figure 209694DEST_PATH_IMAGE026
和二进制字符串
Figure 9022DEST_PATH_IMAGE027
中的字符
Figure 594725DEST_PATH_IMAGE028
制备对应的Bell态粒子的具体方法为：
若
Figure 86886DEST_PATH_IMAGE029
，则第二协议方Bob制备Bell态粒子
Figure 128179DEST_PATH_IMAGE030
；若
Figure 731198DEST_PATH_IMAGE031
，则第二协议方Bob制备Bell态粒子
Figure 702565DEST_PATH_IMAGE032
；若
Figure 100049DEST_PATH_IMAGE033
，则第二协议方Bob制备Bell态粒子
Figure 891287DEST_PATH_IMAGE034
；若
Figure 32418DEST_PATH_IMAGE035
，则第二协议方Bob制备Bell态粒子
Figure 592713DEST_PATH_IMAGE036
。
6.根据权利要求5所述的双向量子密钥分发方法，其特征在于，所述步骤S6中H操作具体为：将Bell态粒子
Figure 161097DEST_PATH_IMAGE037
转变为叠加态粒子
Figure 645824DEST_PATH_IMAGE038
，将Bell态粒子
Figure 590646DEST_PATH_IMAGE039
转变为叠加态粒子
Figure 5447DEST_PATH_IMAGE040
，将Bell态粒子
Figure 10312DEST_PATH_IMAGE041
转变为叠加态粒子
Figure 510564DEST_PATH_IMAGE042
，将Bell态粒子
Figure 259077DEST_PATH_IMAGE043
转变为叠加态粒子
Figure 793963DEST_PATH_IMAGE044
。
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