CN112073190A - 随机调制相位和幅度的量子噪声密码通信方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种随机调制相位和幅度的量子噪声密码通信方法及系统，包括：步骤S1：将每一主密钥子单元分别生成会话密钥；步骤S2：将多个会话密钥分别分成多组；步骤S3：根据选择加密密钥信息，选择将明文信息调制在相位或者幅度之上；根据相应的加密密钥进行移相或者是调幅，再根据伪装密钥对另一个未调制的维度进行伪装加密；步骤S4：当接收端接收到加完密的量子态之后，将主密钥分成一个或者多个部分，算出各解密密钥。步骤S5：接收端根据解密密钥对收到的量子态进行相位和幅度还原，获取量子噪声密码通信结果信息。本发明将发送量子态的相位和幅度都进行了调制，使得传输量子态更为复杂，量子噪声能够起到更好的掩护作用。

Description

随机调制相位和幅度的量子噪声密码通信方法及系统
技术领域
本发明涉及量子噪声密码通信技术领域，具体地，涉及一种随机调制相位和幅度的量子噪声密码通信方法及系统，尤其涉及一种新型基于随机调制相位和幅度的量子噪声密码通信方法。
背景技术
随着信息技术的不断发展，信息传输的手段越来越多种多样，人们能够传输的信息内容也越来越丰富，这就使得信息的暴露会给个人，团体甚至是整个社会带来巨大的影响。因此，人们对于信息传输安全性的问题也越来越重视。但是现阶段，人们多通过增加计算复杂度的方式来提升加密后信息的安全性。而随着计算机，特别是量子计算机的不断发展，计算机的计算力大幅提升，这种依靠计算复杂度的加密方式正在变得越来越不安全。为了解决人们对于量子计算机不断发展而产生的通信安全担忧，量子密码通信因其极高的安全性，越来越被人们所重视。
人们常说的量子密码通信，通常狭义上指的是量子密钥分发，而量子密钥分发研究主要分为两类，一类是基于单光子编解码与检测的离散变量量子密钥分发协议，一类是基于正则分量连续编解码与相干检测的连续变量量子密钥分发协议。两种密钥分发方法各有优缺点，连续变量技术因其具有高的信道容量、易于集成、和现有光通信系统融合较好等特点受到各国学者的广泛关注。当前，研究者们对于这两类协议的研究已经比较完善，在协议的安全性研究，协议使用场景和协议的改进方面，都有研究者做出了非常不错的成果。但是量子密钥分发只解决了收发端的密钥获取问题，对于数据，通常还是采用经典的基于数学复杂度的经典的对称加密方式进行加密。在这个前提下，一种利用量子物理特性的数据加密协议，即量子噪声密码通信协议由美国西北大学学者H.P.Yuen在2000年提了出来。
在该协议中，发送端根据事先共享的一串密钥，将原本只是简单地调制在正交相位上的量子信号，随机调制到非正交的不同相位上。由于各相位之间间隔很小，在存在量子噪声的情况下无法准确区分，窃听者如果想要破解这些信息，就必须忍受量子噪声带来的严重误码干扰，而合法接收方由于拥有事先共享的一串密钥，可以根据这串密钥还原出原本的传输量子态，从而实现信息的成功解码。
噪声密码通信中利用的量子噪声，是物理上不可避免的，是由不确定性原理和测不准原理所保证的。所以说，这种加密方式的安全性是由不可改变的物理定理所保证的，这也就是人们常说的量子密码通信绝对安全性的基础。但是需要注意的是，尽管物理定律是无懈可击的，但是协议依然是存在漏洞的，即窃听者在一些条件下，如相空间划分较小时，依然可获取部分明文信息，其安全性存在一定隐患。本发明针对这个问题，提出了一种改进的新型量子噪声密码通信方案，可在同等条件下降低窃听者获取的信息，提升了量子噪声密码通信方案的安全性。
专利文献CN110601837A公开了一种基于量子信息压缩在噪声情况下的保密通信方法及系统，包括：利用量子信息压缩方法对量子信息进行压缩，在传输信道安全检测信息的同时也传输压缩后的有效信息，并记录压缩位置；将信道检测信息与有效信息进行组合传输给Bob，等待Bob返回信道确认帧ACK；传输相应的解压缩内容，进行有效信息的解码工作。将传统量子保密通信协议进行改进，将原先的两步通信改为一步传输，在传输信道安全检测信息的同时也传输压缩后的有效信息，节省一半的传输时间。该专利在性能上仍然有待提高的空间。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种随机调制相位和幅度的量子噪声密码通信方法及系统。
根据本发明提供的一种随机调制相位和幅度的量子噪声密码通信方法，包括：步骤S1：发送端和接收端共享一串主密钥，通信开始时，发送端将主密钥分成一个或者多个主密钥子单元，将每一主密钥子单元分别生成各自的会话密钥；步骤S2：将多个会话密钥分别分成多组；步骤S3：根据选择加密密钥信息，选择将明文信息调制在相位或者幅度之上；根据相应的加密密钥进行移相或者是调幅，再根据伪装密钥对另一个未调制的维度进行伪装加密；步骤S4：当接收端接收到加完密的量子态之后，根据和发送端相同的方式，将主密钥分成一个或者多个部分，并根据相同算法算出各解密密钥。步骤S5：接收端根据解密密钥对收到的量子态进行相位和幅度还原，获取量子噪声密码通信结果信息。
优选地，所述步骤S1包括：步骤S1.1：发送端和接收端首先共享一串主密钥K，通信开始时，发送端将主密钥分成五个部分，并根据Hash算法，将每一部分的主密钥分别生成各自的会话密钥Kh。
优选地，所述步骤S2包括：步骤S2.1：将会话密钥分别分成多组会话密钥，其中，两组会话密钥设置为每组L比特，生成加密密钥Kp，加密密钥Kpe；两组会话密钥设置为每组I比特，生成加密密钥Ka，加密密钥Kae；其中Kp，Kpe＝2L mod M；Ka，Kae＝2I mod N；M是相空间划分等分数，N是幅度鉴变级别数；M和N越大，量子噪声能够起到的保护作用就越明显。剩下的一组加密密钥不做变化，记为Ks。
优选地，所述步骤S3包括：步骤S3.1：经过加密后的量子态为
Figure BDA0002661614390000031
A和φc的计算方式根据选择的加密密钥不同表示如下：
Figure BDA0002661614390000032
其中，
Figure BDA0002661614390000033
优选地，所述步骤S5包括：步骤S5.1:如果选择的是相位加密，经过解密操作之后的量子态为
Figure BDA0002661614390000034
步骤S5.2:如果选择的是幅度加密，则经解密操作后的量子态为
Figure BDA0002661614390000035
步骤S5.3:对于明文比特s1，s2∈0，1，其对应的相干态分别为相位调制下的|A0α0e-jπ＞、|A0α0＞和幅度调制下的|A0α0e-jπ＞、|0＞，其相对应的内积分别为
Figure BDA0002661614390000036
和
Figure BDA0002661614390000037
在平均光子数α0较大时，可以认为他们都近似正交，则经过正交投影测量能够很容易得出明文,获取明文信息；根据明文信息，获取量子噪声密码通信结果信息。
根据本发明提供的一种随机调制相位和幅度的量子噪声密码通信系统，包括：模块M1：发送端和接收端共享一串主密钥，通信开始时，发送端将主密钥分成一个或者多个主密钥子单元，将每一主密钥子单元分别生成各自的会话密钥；模块M2：将多个会话密钥分别分成多组；模块M3：根据选择加密密钥信息，选择将明文信息调制在相位或者幅度之上；根据相应的加密密钥进行移相或者是调幅，再根据伪装密钥对另一个未调制的维度进行伪装加密；模块M4：当接收端接收到加完密的量子态之后，根据和发送端相同的方式，将主密钥分成一个或者多个部分，并根据相同算法算出各解密密钥。模块M5：接收端根据解密密钥对收到的量子态进行相位和幅度还原，获取量子噪声密码通信结果信息。
优选地，所述模块M1包括：模块M1.1：发送端和接收端首先共享一串主密钥K，通信开始时，发送端将主密钥分成五个部分，并根据Hash算法，将每一部分的主密钥分别生成各自的会话密钥Kh。
优选地，所述模块M2包括：模块M2.1：将会话密钥分别分成多组会话密钥，其中，两组会话密钥设置为每组L比特，生成加密密钥Kp，加密密钥Kpe；两组会话密钥设置为每组I比特，生成加密密钥Ka，加密密钥Kae；其中Kp，Kpe＝2L mod M；Ka，Kae＝2I mod N；M是相空间划分等分数，N是幅度鉴变级别数；M和N越大，量子噪声能够起到的保护作用就越明显。剩下的一组加密密钥不做变化，记为Ks。
优选地，所述模块M3包括：模块M3.1：经过加密后的量子态为
Figure BDA0002661614390000041
A和φc的计算方式根据选择的加密密钥不同表示如下：
Figure BDA0002661614390000042
其中，
Figure BDA0002661614390000043
优选地，所述模块M5包括：模块M5.1:如果选择的是相位加密，经过解密操作之后的量子态为
Figure BDA0002661614390000044
模块M5.2:如果选择的是幅度加密，则经解密操作后的量子态为
Figure BDA0002661614390000045
模块M5.3:对于明文比特s1，s2∈0，1，其对应的相干态分别为相位调制下的|A0α0e-jπ＞、|A0α0＞和幅度调制下的|A0α0e-jπ＞、|0＞，其相对应的内积分别为
Figure BDA0002661614390000046
和
Figure BDA0002661614390000047
在平均光子数α0较大时，可以认为他们都近似正交，则经过正交投影测量能够很容易得出明文,获取明文信息；根据明文信息，获取量子噪声密码通信结果信息。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明不同于经典的量子噪声密码通信方案，将发送量子态的相位和幅度都进行了调制，使得传输量子态更为复杂，量子噪声能够起到更好的掩护作用。
2、本发明通过随机选择量子态的相位和幅度进行信息调制，进一步打乱了编码的明文信息，使得窃听者限于测不准原理的影响获取正确明文信息误码率更高，增加了系统的安全性。
3、本发明是在经典量子噪声密码通信上对调制方式的改进，不会增加很大的实现难度，操作方式和经典协议类似。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一种新型基于随机调制相位和幅度的量子噪声密码通信方案的原理图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，一种随机调制相位和幅度的量子噪声密码通信方案包括以下步骤：
步骤一：发送端和接收端首先共享一串主密钥K，通信开始时，发送端将主密钥分成五个部分，并根据Hash算法，将每一部分的主密钥分别生成各自的会话密钥Kh。
步骤二：将四个会话密钥分别分成多组，其中两组每组L比特，生成加密密钥Kp，Kpe，两组每组I比特，生成加密密钥Ka，Kae，其中Kp，Kpe＝2L mod M；Ka，Kae＝2I mod N。M是相空间划分等分数，N是幅度鉴变级别数。M和N越大，量子噪声能够起到的保护作用就越明显。剩下的一组不做变化，记为Ks。
步骤三：从量子源发射出来的量子初态具体被调制为何种状态，将由明文信息(即比特s1,s2∈{0,1})，选择加密密钥Ks和相应的加密密钥共同决定。先根据选择加密密钥，选择将明文信息调制在相位还是幅度之上，再根据相应的加密密钥进行移相或者是调幅，最后再根据伪装密钥对另一个未调制的维度进行伪装加密(移相或调幅)，但是这个过程中不会调制进明文信息，只是起到掩护作用。经过加密后的量子态为
Figure BDA0002661614390000061
A和φc的计算方式根据选择的加密密钥不同表示如下：
Figure BDA0002661614390000062
其中，
Figure BDA0002661614390000063
步骤四：当接收端接收到加完密的量子态之后，根据和发送端相同的方式，将主密钥分成五个部分，并根据相同算法算出各解密密钥。
步骤五：接收端根据解密密钥对收到的量子态进行相位和幅度还原。如果选择的是相位加密，经过解密操作之后的量子态为
Figure BDA0002661614390000064
而如果选择的是幅度加密，则经解密操作后的量子态为
Figure BDA0002661614390000065
对于明文比特s1，s2∈0，1，其对应的相干态分别为相位调制下的|A0α0e-jπ＞、|A0α0＞和幅度调制下的|A0α0e-jπ＞、|0＞，其相对应的内积分别为
Figure BDA0002661614390000066
和
Figure BDA0002661614390000067
在平均光子数α0较大时，可以认为他们都近似正交，则经过正交投影测量能够很容易得出明文。
本发明不同于经典的量子噪声密码通信方案，将发送量子态的相位和幅度都进行了调制，使得传输量子态更为复杂，量子噪声能够起到更好的掩护作用。
本发明通过随机选择量子态的相位和幅度进行信息调制，进一步打乱了编码的明文信息，使得窃听者限于测不准原理的影响获取正确明文信息误码率更高，增加了系统的安全性。
本发明是在经典量子噪声密码通信上对调制方式的改进，不会增加很大的实现难度，操作方式和经典协议类似。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种随机调制相位和幅度的量子噪声密码通信方法，其特征在于，包括：
步骤S1：发送端和接收端共享一串主密钥，通信开始时，发送端将主密钥分成一个或者多个主密钥子单元，将每一主密钥子单元分别生成会话密钥；
步骤S2：将多个会话密钥分别分成多组；
步骤S3：根据选择加密密钥信息，选择将明文信息调制在相位或者幅度之上；
根据相应的加密密钥进行移相或者是调幅，再根据伪装密钥对另一个未调制的维度进行伪装加密；
步骤S4：当接收端接收到加完密的量子态之后，将主密钥分成一个或者多个部分，算出各解密密钥；
步骤S5：接收端根据解密密钥对收到的量子态进行相位和幅度还原，获取量子噪声密码通信结果信息。
2.根据权利要求1所述的随机调制相位和幅度的量子噪声密码通信方法，其特征在于，所述步骤S1包括：
步骤S1.1：发送端和接收端首先共享一串主密钥K，通信开始时，发送端将主密钥分成五个部分，将每一部分的主密钥分别生成各自的会话密钥Kh。
3.根据权利要求2所述的随机调制相位和幅度的量子噪声密码通信方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
步骤S2.1：将会话密钥分别分成多组会话密钥，其中，两组会话密钥设置为每组L比特，生成加密密钥Kp，加密密钥Kpe；
两组会话密钥设置为每组I比特，生成加密密钥Ka，加密密钥Kae；
其中Kp，Kpe＝2L mod M；Ka，Kae＝2I mod N；
mod为求余函数，M是相空间划分等分数，N是幅度鉴变级别数；剩下的一组加密密钥不做变化，记为Ks。
4.根据权利要求3所述的随机调制相位和幅度的量子噪声密码通信方法，其特征在于，所述步骤S3包括：
步骤S3.1：我们将发射端发射的相干量子态记为|A0α0>，A0是量子初态的幅度，α0是任意模为1的复数，经过加密后的量子态记为|αc>，且
Figure FDA0002661614380000011
A和φc的计算方式根据选择的加密密钥不同表示如下：
Kp：
Figure FDA0002661614380000021
Ka：
Figure FDA0002661614380000022
Kpe：
Figure FDA0002661614380000023
Kae：
Figure FDA0002661614380000024
其中，
Figure FDA0002661614380000025
φc表示的是在当前加密密钥下量子初态经过相位调制后的相位；A表示的是在当前加密密钥下量子初态经过调制后的幅度；s1和s2表示的是明文信息比特，且s1，s2∈0，1；j为虚数符号，j2＝-1；e是自然常数，π是圆周率。
5.根据权利要求1所述的随机调制相位和幅度的量子噪声密码通信方法，其特征在于，所述步骤S5包括：
步骤S5.1:如果选择的是相位加密，经过解密操作之后的量子态为
Figure FDA0002661614380000026
步骤S5.2:如果选择的是幅度加密，则经解密操作后的量子态为
Figure FDA0002661614380000027
步骤S5.3:对于明文比特s1，s2∈0，1，其对应的相干态分别为相位调制下的|A0α0e-jπ>、|A0α0>和幅度调制下的|A0α0e-jπ>、|0>，其相对应的内积分别为
Figure FDA0002661614380000028
和
Figure FDA0002661614380000029
获取明文信息；
根据明文信息，获取量子噪声密码通信结果信息。
6.一种随机调制相位和幅度的量子噪声密码通信系统，其特征在于，包括：
模块M1：发送端和接收端共享一串主密钥，通信开始时，发送端将主密钥分成一个或者多个主密钥子单元，将每一主密钥子单元分别生成会话密钥；
模块M2：将多个会话密钥分别分成多组；
模块M3：根据选择加密密钥信息，选择将明文信息调制在相位或者幅度之上；
根据相应的加密密钥进行移相或者是调幅，再根据伪装密钥对另一个未调制的维度进行伪装加密；
模块M4：当接收端接收到加完密的量子态之后，将主密钥分成一个或者多个部分，算出各解密密钥；
模块M5：接收端根据解密密钥对收到的量子态进行相位和幅度还原，获取量子噪声密码通信结果信息。
7.根据权利要求6所述的随机调制相位和幅度的量子噪声密码通信系统，其特征在于，所述模块M1包括：
模块M1.1：发送端和接收端首先共享一串主密钥K，通信开始时，发送端将主密钥分成五个部分，将每一部分的主密钥分别生成各自的会话密钥Kh。
8.根据权利要求7所述的随机调制相位和幅度的量子噪声密码通信系统，其特征在于，所述模块M2包括：
模块M2.1：将会话密钥分别分成多组会话密钥，其中，两组会话密钥设置为每组L比特，生成加密密钥Kp，加密密钥Kpe；
两组会话密钥设置为每组I比特，生成加密密钥Ka，加密密钥Kae；
其中Kp，Kpe＝2L mod M；Ka，Kae＝2I mod N；
mod为求余函数，M是相空间划分等分数，N是幅度鉴变级别数；剩下的一组加密密钥不做变化，记为Ks。
9.根据权利要求8所述的随机调制相位和幅度的量子噪声密码通信系统，其特征在于，所述模块M3包括：
模块M3.1：我们将发射端发射的相干量子态记为|A0α0>，A0是量子初态的幅度，α0是任意模为1的复数，经过加密后的量子态记为|αc>，且
Figure FDA0002661614380000031
A和φc的计算方式根据选择的加密密钥不同表示如下：
Kp：
Figure FDA0002661614380000032
Ka：
Figure FDA0002661614380000033
Kpe：
Figure FDA0002661614380000034
Kae：
Figure FDA0002661614380000035
其中，
Figure FDA0002661614380000036
φc表示的是在当前加密密钥下量子初态经过相位调制后的相位；A表示的是在当前加密密钥下量子初态经过调制后的幅度；s1和s2表示的是明文信息比特，且s1，s2∈0，1；j为虚数符号，j2＝-1；e是自然常数，π是圆周率。
10.根据权利要求6所述的随机调制相位和幅度的量子噪声密码通信系统，其特征在于，所述模块M5包括：
模块M5.1:如果选择的是相位加密，经过解密操作之后的量子态为
Figure FDA0002661614380000041
模块M5.2:如果选择的是幅度加密，则经解密操作后的量子态为
Figure FDA0002661614380000042
模块M5.3:对于明文比特s1，s2∈0，1，其对应的相干态分别为相位调制下的|A0α0e-jπ>、|A0α0>和幅度调制下的|A0α0e-jπ>、|0>，其相对应的内积分别为
Figure FDA0002661614380000043
和
Figure FDA0002661614380000044
获取明文信息；
根据明文信息，获取量子噪声密码通信结果信息。
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