CN111385088A

CN111385088A - 一种高效的卫星量子密钥配对生成方法

Info

Publication number: CN111385088A
Application number: CN201811615306.2A
Authority: CN
Inventors: 叶澄; 聂际敏; 陈昊泽; 任伟
Original assignee: Guoke Quantum Communication Network Co ltd
Current assignee: Guoke Quantum Communication Network Co ltd
Priority date: 2018-12-27
Filing date: 2018-12-27
Publication date: 2020-07-07
Anticipated expiration: 2038-12-27
Also published as: CN111385088B

Abstract

本发明提出了一种高效的卫星量子密钥配对生成方法，其包括使卫星分别与n个地面站进行量子密钥分发以在每个地面站i和卫星处生成量子密钥Ki的步骤，在卫星处利用密钥构建函数f(k)基于量子密钥Ki生成通信量子密钥Ks的步骤，在卫星处分别利用量子密钥中的每一个Ki对通信量子密钥Ks进行加密运算以得到n个密文Ksi的步骤，分别将n个密文中的每一个Ksi发送至n个地面站中的相应一个地面站i处的步骤，以及在n个地面站中的每一个地面站i处，利用量子密钥Ki对密文Ksi进行解密运算以获得通信量子密钥Ks的步骤。

Description

一种高效的卫星量子密钥配对生成方法

技术领域

本发明涉及量子通信领域，具体涉及卫星量子密钥配对生成方法。

背景技术

随着量子保密通信的发展，采用量子技术在两地之间安全的生成量子密钥已经实现。当前多个国家已经完成了地面量子通信网的验证。在此基础上，多个国家正在考虑采用卫星手段实现超远程量子密钥分发。但是，卫星与不同地面站生成的量子密钥是不同的，即各地面站所持有的量子密钥是不同的，因此地面站之间无法利用这些量子密钥直接进行相互的通信。传统地面量子密钥网络采用密钥中继实现两个地面站之间的量子密钥传递，即，发送站与卫星之间生成量子密钥Ka、接收站与卫星之间生成量子密钥Kb，那么卫星将密钥Ka Kb＝Kab发送到接收站，接收站再进行一次异或运算Kab Kb＝Ka Kb Kb＝Ka，即得到发送站的量子密钥Ka，由此可见实现发送站和接收站之间的量子通信。

然而，传统的密钥生成方法在面对地面站数量众多的实用化业务场景中，有很多弊端：

1、在1对1的通信场景任务响应不及时

如前所述，地面站需要在收到地面指令后分别与地面站1、地面站2进行量子密钥分发、密钥异或发送后，才能在发送站和接收站之间形成一对量子密钥，从以往实践经验来看，在实际通信应用中这一过程往往在数天之后才能完成。

2、无法适应1对m、n对m、n对n的通信模式

在业务化运行中，用户常常需要开展1对m、n对m、n对n的通信，通信模式多样且随机性高。传统的密钥配对生成方法无法适用。举例来说，假设用户一次需要为10个地面站之间的通信准备量子密钥。如果采用上述传统的配对方法，就需要在每个地面站内开辟与其他9个地面站之间的9个密钥池，10个地面站两两之间各通信一次填充地面站密钥池，这就需要卫星量子密钥网络进行180次工作才能形成。任务响应时间过于漫长、密钥存储量大、高度依赖密钥池、密钥池又与任务密切相关，这在实用化业务场景中是无法接受的。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提出了一种高效的卫星量子密钥配对生成方法，其包括，

量子密钥生成步骤：使卫星分别与n个地面站进行量子密钥分发，以在所述n个地面站中的每一个处生成量子密钥，其中，所述n个地面站中的第i个地面站中生成的所述量子密钥为Ki，i为1至n的自然数，且同时在所述卫星处生成量子密钥K1、K2、…、Kn；

通信量子密钥生成步骤：在所述卫星处，利用预设的密钥构建函数f(k)基于所述量子密钥Ki中的至少一个生成所述通信量子密钥Ks；

通信量子密钥加密步骤：在所述卫星处，分别利用所述量子密钥K1、K2、…、Kn中的一个Ki对所述通信量子密钥Ks进行加密运算，得到n个密文Ks1、Ks2、…、Ksn；

密文分发步骤：分别将所述密文Ks1、Ks2、…、Ksn中的一个Ksi发送至所述n个地面站中的相应一个地面站i处；以及

通信量子密钥配对生成步骤：在所述n个地面站中的每一个地面站i处，利用在所述地面站i处生成的所述量子密钥Ki对所述密文Ksi进行解密运算，从而获得所述通信量子密钥Ks。

进一步地，在所述量子密钥生成步骤和所述通信量子密钥生成步骤之间还包括在所述卫星处提供随机数K0的步骤，其中：在所述通信量子密钥生成步骤中，所述随机数K0用作所述密钥构建函数f(K)中的参量以生成所述通信量子密钥Ks、或者用于确定所述量子密钥K1、K2、…、Kn中的哪些被用作所述密钥构建函数f(K)的参量以生成所述通信量子密钥Ks、或者两者的组合。

优选地，在所述通信量子密钥生成步骤中，利用所述密钥构建函数f(k)基于所述n个量子密钥K1、K2、…、Kn和所述随机数K0生成所述通信量子密钥Ks，即Ks＝f(K0、K1，K2，…，Kn)。

优选地，所述加密运算和所述解密运算均为异或运算。

优选地，所述随机数K0是上传至所述卫星的；或者所述随机数K0是由所述卫星生成的。

进一步地，本发明的配对生成方法还包括用户应用系统发出量子通信应用请求的步骤。

进一步地，本发明的配对生成方法还包括在所述n个地面站之间利用所述通信量子密钥Ks进行集群通信的步骤。

可选地，所述量子密钥Ki和所述通信量子密钥Ks为量子密钥序列的形式。

优选地，所述通信量子密钥加密步骤中的所述加密运算为一次一密的。

本发明的另一方面还涉及上述卫星量子密钥配对生成方法在n个卫星与m个地面站之间量子保密通信中的应用，其中n和m均为大于或等于1的自然数。

附图说明

图1示出了本发明的卫星量子密钥配对生成方法的一种示例性实施例。

具体实施方式

在下文中，本发明的示例性实施例将参照附图来详细描述。下面的实施例以举例的方式提供，以便充分传达本发明的精神给本发明所属领域的技术人员。因此，本发明不限于本文公开的实施例。

下面先结合n个地面站之间需要生成配对密钥以便能够在该n个地面站之间相互进行通信的场景来说明本发明所提出的卫星量子密钥配对方法的基本原理。

在本发明的方法中，首先需要使卫星与n个地面站全部完成一次密钥分发，以分别形成量子密钥K1、K2、……Kn。本领域技术人员容易理解，量子密钥K1、K2、…、Kn分别存储于第1、第2、…第n个地面站中，同时卫星中也将同时存储有量子密钥K1、K2、…、Kn。

为了能够在n个地面站之间形成同一组量子密钥，卫星采用密钥构建函数f(k)基于量子密钥K1、K2、……Kn中的至少一个Ki生成通信量子密钥Ks。例如，n个量子密钥都被用作f(k)的参量时，Ks＝f(K1、K2、…、Kn)，当取n个量子密钥中的3个作为f(K)的参量时，Ks＝f(Ka、Kb、Kc)，a、b和c为1至n中的任意不同取值。

随后，分别采用量子密钥K1、K2、…、Kn以一次一密的方式对通信量子密钥Ks进行加密(例如异或运算)，得到密文Ks1、Ks2、…、Ksn。接着，借助经典信道将密Ks1、Ks2、…、Ksn文发送到与量子密钥K1、K2…、Kn相对应的地面站1ˉn，即密文Ksi发送至地面站i处，其中，i为1至n的自然数。正是由于Ks在卫星和地面站之间的通信是基于一次一密的加密形式的，因此，这种通信可以采用经典信道(例如无线电等通信手段)来实现，而不受量子信道的制约，因此，可以实现“即请求即发送”，保证了发送及时性，解决了现有分发方式中依赖量子信道而带来的任务响应时间长的问题。

当地面站1ˉn接到经量子密钥K1、K2…、Kn加密的量子密钥Ks之后，分别利用量子密钥K1、K2、……Kn解密(例如再次进行异或运算)即可获得通信量子密钥Ks。

此后，各个地面站之间即可采用通信量子密钥Ks进行集群通信。

显然，在本发明的方法中，卫星与各地面站只进行1次量子密钥生成即可实现n个地面站之间的一次一密量子通信。

在本发明的配对方法中，还可以包括在卫星中生成随机数K0的步骤。作为示例，可以由地面站向卫星上传随机数K0的方式生成该随机数K0，也可以通过其他方式生成随机数K0。

相应地，在卫星处，随机数KO将作用于利用密钥构建函数f(K)生成通信量子密钥Ks的过程。

作为一种示例，KO可以直接作为f(K)的参量用于Ks的生成，即Ks＝f(K0、Ki、…)。例如，Ks＝f(K0、K1、K2、…、Kn)，即利用n个量子密钥Ki和随机数K0作为f(K)的参量来生成Ks；或者Ks＝f(K0、Ka、Kb、Kc)，即利用n个量子密钥Ki中的三个Ka、Kb和Kc与随机数K0作为f(K)的参量来生成Ks。

作为另一种示例，K0可以用于确定n个量子密钥Ki中的哪些将被用在函数f(K)中用于生产Ks。在该示例中，作为一个选择方式，K0也可以同时被用作函数f(K)中的一个参量。

显然，随机数K0的引入能够进一步增强密钥的新鲜度。

本领域技术人员容易理解，本发明的方法可以具有以下优点：

(1)适用灵活：本发明的方法能够灵活适用于各种通信模式中，例如同时可适用于1对1、n对m、1对n之间的量子保密通信模式。

(2)节约分发次数，提升系统效能：相比于传统的卫星量子密钥配对生成方法，本发明的配对生成方法可以将n个地面站集群通信所需要的量子密钥生成次数由n*(n-1)次降低到n次，大幅增强了系统效能。例如，前面介绍到在传统的配对生成方法中，如果10个地面站之间需要进行量子保密通信的话，需要进行10*9共90次量子密钥生成过程，以及需要量子密钥分配网络进行10*9*2共180次工作才行，而利用本发明的配对生成方法，只需要在各个地面处进行一次量子密钥生成过程即可，即将卫星量子密钥网络的量子密钥生成次数由90次降低到10次。

(3)任务响应速度快：突破了针对性建立密钥池的限制，使得事先分发、事后匹配成为可能，进而可实现“即请求、即生成”。

(4)降低地面站密钥存储安全压力：在传统配对方法中，需要在地面站中设置针对性的密钥池。如果用户系统有n个地面站，那么每个地面站都需要n-1个不同的密钥池用来存放与其他n-1个地面站通信的量子密钥，而这些密钥都是有效密钥，如果密钥泄露则会造成很大的损失。而在本发明的配对生成方法中，每个地面站只需要1个密钥池存放所有的量子密钥即可，并且这些密钥在配对前无法使用，存储安全压力大幅降低。

为了帮助进一步理解本发明的卫星量子密钥配对生成方法的原理，下面将结合n个地面站集群通信的情况描述一个示例性的实施方案，如图1所示。

假设各地面站设置量子密钥池存放量子密钥，且每个地面站密钥池容量64Gbits。

首先，卫星与各地面站1ˉn之间完成量子通信，分别在卫星和地面站之间形成量子密钥序列(例如可以格式化为256bits的密钥序列)，即：每个地面站1ˉn中均形成有1ˉm个量子密钥序列Kd1、Kd2、…、Kdn(存放于各自的量子密钥池中)，其可以分别记为:

Kd1＝[K11,K12,…,K1m]^T，

Kd2＝[K21,K22,…,K2m]^T，

……，

Kdn＝[Kn1,Kn2,…,Knm]^T。

相应地，卫星中形成的量子密钥池中的量子密钥序列K则可表示为：

当用户应用系统发出量子通信应用请求(集群通信密钥生成需求)，即：地面站1ˉn之间准备进行集群通讯，且需要在地面站1ˉn上生成j个量子密钥用于该集群通讯。

卫星接到该应用请求后，采用预设的密钥构建函数f(k)＝f(K1、…、Kn)基于其量子密钥池中存储的量子密钥序列K中的1ˉj行量子密钥K1＝(K11、K12、…、K1j)^T、K2＝(K21、K22、…、K2j)^T、…、Kn＝(Kn1、Kn2、…、Knj)^T生成量子通信密钥矩阵Ks。

随后，卫星将量子通信密钥矩阵Ks分别与量子密钥Kd1、Kd2、…、Kdn中的相应量子密钥序列(K11、K12、…、K1j)^T、(K21、K22、…、K2j)^T、…、(K21、K22、…、K2j)^T采用以一次一密的方式加密(例如异或运算)后发给相应的地面站1ˉn。

地面站接收到经加密的Ks后，再利用相应的量子密钥Kd1、Kd2、…、Kdn中的相应量子密钥序列(K11、K12、…、K1j)^T、(K21、K22、…、K2j)^T、…、(K21、K22、…、K2j)^T进行解密(例如异或预算)后获得量子通信密钥矩阵Ks，并随后可以利用Ks在n个地面站之间进行集群通信。

进一步地，还可以在卫星的量子密钥池中生产随机数K0的随机数或随机数序列，并且利用密钥构建函数f(k)＝f(K0、K1、…、Kn)生成量子通信密钥矩阵Ks。

上述说明并非对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例，且在不发生矛盾的情况下，上述各种替换方式可以相互组合使用。本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内作出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims

1.一种高效的卫星量子密钥配对生成方法，其包括，

量子密钥生成步骤：分别在卫星与n个地面站之间进行量子密钥分发，以在所述n个地面站中的每一个处生成量子密钥，其中，所述n个地面站中的地面站i处生成的所述量子密钥为Ki，i为1至n的自然数，同时在所述卫星处生成量子密钥K1、K2、…、Kn；

通信量子密钥生成步骤：在所述卫星处，以所述量子密钥K1、K2、…、Kn中的至少一个作为参量利用预设的密钥构建函数f(K)生成所述通信量子密钥Ks；

通信量子密钥加密步骤：在所述卫星处，分别利用所述量子密钥K1、K2、…、Kn中的一个Ki对所述通信量子密钥Ks进行加密运算，得到密文Ks1、Ks2、…、Ksn；

2.如权利要求1所述的方法，其中，在所述量子密钥生成步骤和所述通信量子密钥生成步骤之间还包括在所述卫星处提供随机数K0的步骤，其中：在所述通信量子密钥生成步骤中，所述随机数K0用作所述密钥构建函数f(K)中的参量以生成所述通信量子密钥Ks、或者用于确定所述量子密钥K1、K2、…、Kn中的哪些被用作所述密钥构建函数f(K)的参量以生成所述通信量子密钥Ks、或者两者的组合。

3.如权利要求2所述的方法，其中，在所述通信量子密钥生成步骤中，以所述n个量子密钥K1、K2、…、Kn和所述随机数K0为参量利用所述密钥构建函数f(K)生成所述通信量子密钥Ks，即Ks＝f(K0、K1，K2，…，Kn)。

4.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述加密运算和所述解密运算均为异或运算。

5.如权利要求2所述的方法，其中，所述随机数K0是上传至所述卫星的；或者所述随机数K0是由所述卫星生成的。

6.如权利要求1或2所述的方法，其还包括用户应用系统发出量子通信应用请求的步骤。

7.如权利要求1或2所述的方法，其还包括在所述n个地面站之间利用所述通信量子密钥Ks进行集群通信的步骤。

8.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述量子密钥Ki和所述通信量子密钥Ks为量子密钥序列的形式。

9.如权利要求1或2中任一项所述的方法，其中，所述通信量子密钥加密步骤中的所述加密运算为一次一密的。

10.如权利要求1-9中任一项所述的卫星量子密钥配对生成方法在n个卫星与m个地面站之间量子保密通信中的应用，其中n和m均为大于或等于1的自然数。