CN111934856A - 一种应用于局域网的量子通信方法及系统 - Google Patents

一种应用于局域网的量子通信方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种应用于局域网的量子通信方法及系统。本发明用设置了单光子发射模块或单光子检测模块的路由器作为局域网终端的代理，与相应的配置了QKD接收设备或QKD发送设备的远程终端进行基于BB84协议的量子密钥协商，使局域网终端和远程终端获得相同的量子密钥，进而实现双方量子通信。本发明可以实现局域网内的终端在不安装QKD设备的前提下能够与远程终端进行量子通信，提高局域网终端的通信安全性。

Description

一种应用于局域网的量子通信方法及系统
技术领域
本发明涉及量子通信领域，尤其涉及一种应用于局域网的量子通信方法及系统。
背景技术
量子密钥分发(QKD)是目前已经产业化应用的量子通信技术，它的原理是利用量子力学特性使得通信双方能够产生并分享一个随机的、安全的密钥，以进行双方通信过程中对所传递信息的加密和解密。基于量子力学的基本原理，其传递的量子密钥是无法破解的，具有无条件的安全性，其安全性远高于目前基于数论难解问题构建的RSA等密码体制。
现有技术中，用到量子密钥分发(QKD)技术实现量子通信的场景很多，但都是基于通信双方安装QKD设备而实现的。但是在家庭场景或者公司场景中，多存在一些尺寸较小的通信终端，例如手机等，由于QKD设备的尺寸较大，价格较高，因此目前还未能将QKD设备集成到这类小型通信终端中，因此，局域网中的手机等小型终端设备目前还不能加入量子保密网络。
如何使局域网中的手机等小型终端设备在不集成QKD设备的情况下能够加入量子保密网络，是本领域所要解决的一个技术问题。
发明内容
发明目的：为解决上述技术问题，本发明提出一种移动通信终端量子通信方法及系统。
技术方案：本发明提出的技术方案为：
一种应用于局域网的量子通信方法，包括以下步骤：
(1)在局域网中，为局域网终端配置真随机数发生器，为路由器配置单光子发射模块或单光子检测模块；在远程终端相应地设置QKD接收设备或QKD发送设备；在路由器与远程终端之间建立量子信道；
(2)局域网终端通过与路由器交互，使得路由器能够作为局域网终端的代理方；路由器代理局域网终端与远程终端进行基于BB84协议的量子密钥协商；
(3)局域网终端与远程终端基于协商好的量子密钥进行量子通信。
进一步的，所述局域网终端作为量子密钥协商的发送方时，局域网终端与远程终端协商量子密钥的步骤为：
局域网终端通过真随机数发生器生成用于选择选择光子偏振态的偏振态序列，并将偏振态序列发送给路由器；路由器的单光子发射模块根据偏振态序列调制光子的偏振态，并将调制后的光子串通过量子信道按照预设的时间间隔依次发送给作为接收方的远程终端；远程终端通过QKD接收设备随机选取测量基对光子进行逐个测量，得到测量结果；
远程终端通过经典信道将测量基序列告诉局域网终端，局域网终端通过经典通信告诉远程终端哪些是正确的测量基序列，通过协商后两个终端即可以获得按照BB84协议得出的第一量子密钥；然后两个终端之间再随机的对第一量子密钥中的某些密钥序列进行公开比对，当误码率小于门限值，则双方继续进行比特纠错和隐私放大，最终获得无条件安全的量子密钥。
进一步的，所述局域网终端作为量子密钥协商的接收方时，局域网终端与远程终端协商量子密钥的步骤为：
远程终端通过QKD发送设备发送一串随机偏振态的光子给路由器；
同时，局域网终端通过真随机数生成器生成用于选择测量基的测量基序列并发送给路由器；
路由器通过单光子检测模块选用相应测量基逐个检测光子，并将检测结果反馈给局域网终端；
局域网终端通过经典信道将测量基序列告诉远程终端，远程终端通过经典通信告诉局域网终端哪些是正确的测量基序列，通过协商后两个终端即可以获得按照BB84协议得出的第一量子密钥；然后两个终端之间再随机的对第一量子密钥中的某些密钥序列进行公开比对，当误码率小于门限值，则双方继续进行比特纠错和隐私放大，最终获得无条件安全的量子密钥。
进一步的，所述局域网终端与路由器之间进行保密通信：
局域网终端中存储有预先与远程管理中心协商得到的共享密钥池；路由器与远程管理中心通过量子信道连接；
局域网终端通过真随机数发生器生成用于选择实时密钥的实时密钥选择序列，并根据实时密钥选择序列从所述共享密钥池选择实时密钥；局域网终端将实时密钥选择序列发送给路由器，路由器向远程管理中心提出密钥请求，同时将实时密钥选择序列传递给远程管理中心，然后通过量子信道获取远程管理中心根据实时密钥选择序列从共享密钥池中选取的实时密钥，至此，局域网终端与路由器拥有相同的实时密钥，局域网终端与路由器通过实时密钥进行本次保密通信。
进一步的，所述BB84协议为基于诱骗态的BB84协议。
本发明还提出一种应用于局域网的量子通信系统，包括局域网终端、形成所述局域网的路由器、远程终端；局域网终端配置有真随机数发生器，路由器配置有单光子发射模块或单光子检测模块，而远程终端相应地配置有QKD接收设备或QKD发送设备；局域网终端通过路由器与远程终端通过所述方法进行量子通信。
进一步的，所述应用于局域网的量子通信系统中，所述路由器与所述远程终端之间的量子信道通过光纤形成。
进一步的，所述应用于局域网的量子通信系统中，还包括若干量子中继器，所述若干量子中继器通过光纤串联设置在所述路由器与所述远程终端之间，以形成所述路由器与所述远程终端之间的量子信道。
有益效果：本发明相对于现有技术，具有以下技术效果：
通过本发明提供的技术方案，局域网内的手机等小型终端可以通过集成了单光子发射模块/单光子检测模块的路由器与相应的集成了QKD接收设备/QKD发送设备的远程终端之间进行量子通信，极大地提高了局域网内的手机等终端的通信安全性，且一个集成了单光子发射模块/单光子检测模块可以同时为多个局域网内的终端提供量子保密通信网路，成本低廉。
附图说明
图1为实施例1涉及的系统结构图；
图2为实施例2涉及的系统结构图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对本发明作更进一步的说明。但应当理解的是，本发明可以以各种形式实施，以下在附图中出示并且在下文中描述的一些示例性和非限制性实施例，并不意图将本发明限制于所说明的具体实施例。
应当理解的是，在技术上可行的情况下，以上针对不同实施例所列举的技术特征可以相互组合，从而形成本发明范围内的另外的实施例。此外，本发明所述的特定示例和实施例是非限制性的，并且可以对以上所阐述的结构、步骤、顺序做出相应修改而不脱离本发明的保护范围。
本发明旨在解决如何在局域网内的手机等小型移动通信终端设备不集成QKD设备的情况下，使手机等小型移动通信终端能够与具备QKD设备的远程终端实现量子通信的技术问题。
为了解决这个技术问题，本发明为局域网内的路由器配置单光子发射模块或单光子检测模块，在远程终端相应地设置QKD接收设备或QKD发送设备，为局域网终端配置真随机数发生器；在路由器与远程终端之间建立量子信道。局域网终端通过与路由器交互，使得路由器能够作为局域网终端的代理方与远程终端进行基于BB84协议的量子密钥协商；进而使得局域网终端与远程终端能够基于协商好的量子密钥进行量子通信。
下面通过具体实施例进一步阐述本发明的实现原理。
实施例1：
图1示出了实施例1涉及的应用于局域网的量子通信系统，主要包括局域网终端A、远程终端B、路由器，局域网终端A配置有真随机数发生器，路由器形成局域网，局域网终端A位于路由器形成的局域网内并与路由器交互，远程终端B与路由器之间建立量子信道。
本实施例中，局域网终端A在密钥协商时作为发送方，而远程终端B则作为接收方。因此，本系统中的路由器包含了现有路由器的主要功能模块，另外还需要含有单光子发射模块。单光子发射模块能够根据控制信号调制光子的偏振态、并将调制后的光子串按照一定的时间间隔依次发送给接收方。远程终端B相应地配置有QKD接收设备，QKD接收设备能够在测量基下检测出接收到的光子的偏振态。
图1示出的系统实现的通信方法流程如下：
当局域网终端A需要和远程终端B进行保密通信时，双方通过路由器进行相应的量子密钥协商，密钥协商具体流程如下：
首先局域网终端A产生用于选择光子偏振态的偏振态序列x，包括真随机数序列Sa(比特序列)、ma(发送基序列)，具体可以按照如下规则：当sa序列是比特0，ma序列也是0时，偏振态为H；当sa序列是比特0，ma序列是1时，偏振态为+；当sa序列是比特1，ma序列是0时，偏振态为V；当sa序列是比特1，ma序列也是1时，偏振态为-，“H、+、V、-”为光子的四种偏振态。
然后，局域网终端A将生成的偏振态序列x发送到路由器，路由器获得需要发射的单光子的偏振态信息，然后路由器内的单光子发射模块向远程终端B发送相应偏振态的单光子。
远程终端B通过QKD接收设备随机选取测量基对接收到的光子进行逐一测量，得到相关的偏振态信息，记测量基序列为mb；然后，远程终端B将测量得到的结果按照一定的编码规则转化成比特序列，比如水平偏振态和45度偏振态对应比特0、垂直偏振态和135度偏振态对应比特1。
最后，远程终端B通过经典信道将测量基序列mb告诉局域网终端A，局域网终端A比对ma和mb，然后通过经典通信告诉远程终端B哪些是正确的测量基序列，协商后双方可以获得按照BB84协议得出的量子密钥K1。然后远程终端B和局域网终端A再随机的对其中的某些密钥序列进行公开比对，当误码率小于门限值(比如11％)，则双方继续进行比特纠错和隐私放大操作，最终双方获得了无条件安全的量子密钥K。利用该量子密钥K双方之间可实现安全通信。
实施例2：图2示出了实施例2涉及的应用于局域网的量子通信系统，主要包括局域网终端A、远程终端B、路由器，局域网终端A配置有真随机数发生器，路由器形成局域网，局域网终端A位于路由器形成的局域网内并与路由器交互，远程终端B与路由器之间建立量子信道。
本实施例中，局域网终端A在密钥协商时作为接收方，而远远程终端B则作为发送方。因此，远程终端B作为发送方配置有QKD发送设备，QKD发送设备能够根据控制信号调制光子的偏振态、并将调制后的光子串按照一定的时间间隔依次发送给接收方。本系统中的路由器包含了现有路由器的主要功能模块，另外还需要含有单光子检测模块，单光子检测模块能够在测量基下检测出接收到的光子的偏振态。
图2示出的系统实现的通信方法流程如下：
当局域网终端A需要和远程终端B进行保密通信时，双方通过路由器进行相应的量子密钥协商，密钥协商具体流程如下：
首先远程终端B的QKD发送设备产生两个真随机数序列Sa(比特序列)、ma(发送基序列)，根据这两个序列可以确定所要发射光子串的偏振态序列x。具体可以按照如下规则，当sa序列是比特0，ma序列也是0时，偏振态为H；当sa序列是比特0，ma序列是1时，偏振态为+；当sa序列是比特1，ma序列是0时，偏振态为V；当sa序列是比特1，ma序列也是1时，偏振态为-，“H、+、V、-”为光子的四种偏振态。然后，远程终端B的QKD发送设备向路由器发送相应偏振态的单光子串。
同时，局域网终端A通过真随机数生成器生成用于选择测量基的测量基序列mb并发送给路由器；
路由器通过单光子检测模块选用相应测量基逐个检测光子，并将检测结果反馈给局域网终端A；
局域网终端A接收到测量结果后，将测量得到的结果按照一定的编码规则转化成比特序列，比如水平偏振态和45度偏振态对应比特0、垂直偏振态和135度偏振态对应比特1。
最后，局域网终端A通过经典信道将测量基序列mb告诉远程终端B，远程终端B比对ma和mb，然后通过经典通信告诉局域网终端A哪些是正确的测量基序列，协商后双方可以获得按照BB84协议得出的量子密钥K1。然后远程终端B和局域网终端A再随机的对其中的某些密钥序列进行公开比对，当误码率小于门限值(比如11％)，则双方继续进行比特纠错和隐私放大操作，最终双方获得了无条件安全的量子密钥K。利用该量子密钥K双方之间可实现安全通信。
具体的，在上述方案中，其中的单光子发射模块是比较理想的单光子源器件，现实中可以选用弱激光脉冲来替代单光子模块，比如可以用激光器、衰减器、起偏器和偏振控制器来组成一个现实可用的单光子模块。而远程终端可以是服务器等设备。所述路由器与所述远程终端之间的量子信道通过光纤形成，或者通过光纤串联的若干量子中继器形成。
另外上述BB84协议中还可以加入诱骗态思想，诱骗态能够克服光子数分离攻击，具有很强的现实意义，目前已经成为量子密钥分发的主流方案，现实场景下应用的多是这一基于诱骗态的BB84方案。在上述的实施例中，也可以加入诱骗态，上述单光子模块按照一定概率随机生成信号态和诱骗态，协商量子密钥的双方可以根据基于诱骗态的BB84方案得到无条件安全的量子密钥。
作为上述实施例的进一步优化，我们在局域网终端A和路由器之间还设置加密方式，具体如下：
局域网终端A和路由器之间的保密信息传递是基于预先生成的共享量子密钥KG，该共享量子密钥KG作为双方加密通信用的种子密钥。具体操作为：首先局域网终端A在入网登记时在入网登记中心和相应的QKD设备直接连接，该QKD设备通过量子信道和远程管理中心连接，这样局域网终端A和远程管理中心可协商出共享量子密钥，双方将协商出的共享量子密钥分别存储得到自己的密钥池，同时将共享量子密钥的每一比特按照位置进行依次的序号编码操作，最大的位置序号记作N；当需要保密信息通信时，其中的一方比如移动通信终端根据需要的密钥长度生成1到N之间的随机整数序列XG，根据该随机整数序列XG可以从共享量子密钥KG中提取出相应的实时密钥KS，然后局域网终端A利用该实时密钥KS加密信息后传递给路由器；局域网终端A同时将上述随机整数序列XG传递给路由器，路由器向远程管理中心提出密钥请求同时将随机整数序列XG传递给远程管理中心，远程管理中心和路由器之间建立量子线路，然后远程管理中心根据序列XG从共享量子密钥KG中提取出实时密钥KS，然后远程管理中心将实时密钥KS通过量子保密通信的方式传递给路由器，路由器利用该实时密钥KS即可对移动通信终端传递的信息进行解密。例如，局域网终端A和远程管理中心之间的共享量子密钥KG长度可以为1Gbit，当通信时需要的实时密钥长度大于共享量子密钥时，可以生成带重复的随机整数序列。局域网终端A和远程管理中心之间的共享量子密钥可以由用户自己根据需要进行定期的更新，共享量子密钥的更新可以前往网络运营商设置的含有QKD设备的登记中心。
更优选的是，可以按照本发明的发明构思由局域网终端A通过路由器和远程管理中心进行量子密钥协商进而生成新的共享量子密钥KG(远程管理中心含有QKD设备，所以局域网终端A结合路由器可以和远程管理中心进行QKD密钥协商)。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种应用于局域网的量子通信方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在局域网中，为局域网终端配置真随机数发生器，为路由器配置单光子发射模块或单光子检测模块；在远程终端相应地设置QKD接收设备或QKD发送设备；在路由器与远程终端之间建立量子信道；
(2)局域网终端通过与路由器交互，使得路由器能够作为局域网终端的代理方；路由器代理局域网终端与远程终端进行基于BB84协议的量子密钥协商；
(3)局域网终端与远程终端基于协商好的量子密钥进行量子通信。
2.根据权利要求1所述的应用于局域网的量子通信方法，其特征在于，所述局域网终端作为量子密钥协商的发送方时，局域网终端与远程终端协商量子密钥的步骤为：
局域网终端通过真随机数发生器生成用于选择选择光子偏振态的偏振态序列，并将偏振态序列发送给路由器；路由器的单光子发射模块根据偏振态序列调制光子的偏振态，并将调制后的光子串通过量子信道按照预设的时间间隔依次发送给作为接收方的远程终端；远程终端通过QKD接收设备随机选取测量基对光子进行逐个测量，得到测量结果；
远程终端通过经典信道将测量基序列告诉局域网终端，局域网终端通过经典通信告诉远程终端哪些是正确的测量基序列，通过协商后两个终端即可以获得按照BB84协议得出的第一量子密钥；然后两个终端之间再随机的对第一量子密钥中的某些密钥序列进行公开比对，当误码率小于门限值，则双方继续进行比特纠错和隐私放大，最终获得无条件安全的量子密钥。
3.根据权利要求1所述的应用于局域网的量子通信方法，其特征在于，所述局域网终端作为量子密钥协商的接收方时，局域网终端与远程终端协商量子密钥的步骤为：
远程终端通过QKD发送设备发送一串随机偏振态的光子给路由器；
同时，局域网终端通过真随机数生成器生成用于选择测量基的测量基序列并发送给路由器；
路由器通过单光子检测模块选用相应测量基逐个检测光子，并将检测结果反馈给局域网终端；
局域网终端通过经典信道将测量基序列告诉远程终端，远程终端通过经典通信告诉局域网终端哪些是正确的测量基序列，通过协商后两个终端即可以获得按照BB84协议得出的第一量子密钥；然后两个终端之间再随机的对第一量子密钥中的某些密钥序列进行公开比对，当误码率小于门限值，则双方继续进行比特纠错和隐私放大，最终获得无条件安全的量子密钥。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的应用于局域网的量子通信方法，其特征在于，所述局域网终端与路由器之间进行保密通信：
局域网终端中存储有预先与远程管理中心协商得到的共享密钥池；路由器与远程管理中心通过量子信道连接；
局域网终端通过真随机数发生器生成用于选择实时密钥的实时密钥选择序列，并根据实时密钥选择序列从所述共享密钥池选择实时密钥；局域网终端将实时密钥选择序列发送给路由器，路由器向远程管理中心提出密钥请求，同时将实时密钥选择序列传递给远程管理中心，然后通过量子信道获取远程管理中心根据实时密钥选择序列从共享密钥池中选取的实时密钥，至此，局域网终端与路由器拥有相同的实时密钥，局域网终端与路由器通过实时密钥进行本次保密通信。
5.根据权利要求4所述的应用于局域网的量子通信方法，其特征在于，所述BB84协议为基于诱骗态的BB84协议。
6.一种应用于局域网的量子通信系统，其特征在于，包括局域网终端、形成所述局域网的路由器、远程终端；局域网终端配置有真随机数发生器，路由器配置有单光子发射模块或单光子检测模块，而远程终端相应地配置有QKD接收设备或QKD发送设备；局域网终端通过路由器与远程终端通过权利要求1至5任意一项所述方法进行量子通信。
7.根据权利要求6所述的应用于局域网的量子通信系统，其特征在于，所述路由器与所述远程终端之间的量子信道通过光纤形成。
8.根据权利要求6所述的应用于局域网的量子通信系统，其特征在于，还包括若干量子中继器，所述若干量子中继器通过光纤串联设置在所述路由器与所述远程终端之间，以形成所述路由器与所述远程终端之间的量子信道。
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