CN112887088A - 一种高斯调制方法及连续变量量子安全直接通信系统 - Google Patents

一种高斯调制方法及连续变量量子安全直接通信系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于量子安全直接通信信源部分信息处理技术领域，公开了一种高斯调制方法及连续变量量子安全直接通信系统。该方法将秘密信息分块后，在服从高斯分布的随机数序列的帮助下，对每一个信息块进行高斯调制得到对应的一串高斯随机数值，则秘密信息转变为一组高斯随机序列。因此，在连续变量量子安全直接通信系统中，本发明所设计的高斯调制方法可以有效解决由于秘密信息直接编译为高斯序列所带来的均值和方差的偏移问题以及系统的安全性问题。

Description

一种高斯调制方法及连续变量量子安全直接通信系统
技术领域
本发明属于量子安全直接通信信源部分信息处理技术，具体涉及一种高斯调制方法及连续变量量子安全直接通信系统。
背景技术
基于量子力学原理的量子通信具有极强的安全性，可以满足当今时代人们对于信息安全的需求。从第一个量子安全直接通信协议(QSDC)被提出来到现在，基于单光子、纠缠量子对及多量子等的双向的、受控的协议被陆续提出，这些都是基于离散变量的协议。针对于离散变量量子通信中缺乏可靠的单光子源、信号探测困难和密钥率低等问题提出了连续变量量子通信，连续变量的优点在于从光源到检测都易于实现，并且能够与现有的光纤系统融合，加快其在工程实践方面的进程。
现有技术提出了在协议编码过程中，将秘密信息在编码阶段直接编译成高斯序列并加载到光场的正则位置后进行传输，该过程中由于信息的不均匀性会导致高斯序列的均值和方差产生偏移，从而导致在系统的性能分析过程中高估系统的安全性，而窃听者可能会将攻击隐藏在高估的理论安全范围中，进而窃取到信息，造成秘密信息的泄露或丢失。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高斯调制方法及连续变量量子安全直接通信系统，用以解决现有技术中的将信息直接编译为高斯序列所造成的均值和方差的偏移问题以及系统安全性被高估的问题。
为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：
一种高斯调制方法，用于将信源处发送的信息通过高斯调制转换为一组高斯随机序列后再与信宿进行通信，方法包括如下步骤：
步骤1：将待发送的信息进行分块，获得m个信息块且m＝k/a，其中，k为待发送的信息的长度，a为分块长度，m、a为正整数；
步骤2：对步骤1获得的m个信息块进行码型变换，获得等概率分布的m个信息块；
步骤3：将步骤2获得的等概率分布的每个信息块进行均匀化，获得n个数据块，其中，n＝bm，n、b为正整数；
步骤4：在步骤3获得n个数据块中，逐个对数据块插入检测比特与纠错比特，至所有数据块插入完成后，得到n个安全数据块；
步骤5：获取高斯随机序列并生成高斯分布曲线，将高斯分布曲线划分成等概率的
Figure BDA0002909426060000021
个区间，其中，d表示插入检测比特的位数，d为正整数；
步骤6：对步骤4得到的n个安全数据块与步骤5得到的区间根据每个安全数据块的码型建立一一对应关系，对每个安全数据块获取其所对应的区间内的任意一个高斯随机数，将所有安全数据块所对应的高斯随机数作为高斯随机序列。
进一步的，步骤2中对每个信息块进行码型变换的规则为：交替选择{01，10}中的一个码元来代替“0”码元；交替选择{00，11}中的一个码元来代替“1”码元。
进一步的，步骤3中对每个信息块的均匀化的规则为：随机选择{00，01}中的一个码元来代替“0”码元；随机选择{10，11}中的一个码元来代替“1”码元。
进一步的，步骤4中对每个数据块插入检测比特与纠错比特时，在每个数据块中随机的插入d位检测比特，在每个数据块的末尾插入1位纠错码。
一种连续变量量子安全直接通信系统，包括信源Alice、信宿Bob、量子信道以及认证的经典信道，所述信源Alice处采用上述高斯调制方法将发送的信息通过高斯调制转换为一组高斯随机序列后，再与信宿Bob进行通信。
本发明与现有技术相比具有以下技术特点：
本发明提供的适用于连续变量量子安全直接通信系统的高斯调制方法可以解决将秘密信息直接编译为高斯序列所造成的均值和方差的偏移问题以及系统的安全性问题。对经过高斯调制后的数据分析，结果显示其均值与原始高斯序列的均值相同，方差与原始高斯序列的方差近似相等。未经过高斯调制所造成的均值和方差的偏移问题以及系统的安全性问题得到解决。
附图说明
图1为高斯调制方法的流程图；
图2为高斯映射数据图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。以便本领域的技术人员更好的理解本发明。
实施例1
在本实施例中公开了一种高斯调制方法，用于将信源处发送的信息通过高斯调制转换为一组高斯随机序列后再与信宿进行通信，方法包括如下步骤：
步骤1：将待发送的信息进行分块，获得m个信息块且m＝k/a，其中，k为待发送的信息的长度，a为分块长度，m、a为正整数；
步骤2：对步骤1获得的m个信息块进行码型变换，获得等概率分布的m个信息块；所述秘密信息的等概率分布步骤是指通过码型变换使秘密信息中“0”和“1”出现的概率相等；
步骤3：将步骤2获得的等概率分布的每个信息块进行均匀化，获得n个数据块，其中，n＝bm，n、b为正整数；所述信息块的均匀化步骤是指将等概的信息转化为均匀分布的多比特数据块，此实施例中选用二比特；
步骤4：在步骤3获得n个数据块中，逐个对数据块插入检测比特与纠错比特，以完成后续的安全性检测，至所有数据块插入完成后，得到n个安全数据块；
步骤5：获取高斯随机序列并生成高斯分布曲线，所述高斯分布曲线均值为0，方差为VA，将高斯分布曲线划分成等概率的
Figure BDA0002909426060000041
个区间，其中，d表示插入检测比特的位数，d为正整数；
步骤6：对步骤4得到的n个安全数据块与步骤5得到的区间根据每个安全数据块的码型建立一一对应关系，对每个安全数据块获取其所对应的区间内的任意一个高斯随机数，将所有安全数据块所对应的高斯随机数作为高斯随机序列。所述高斯映射步骤是指按照等概率的划分原则将不同数据块映射为不同区域的任意高斯随机数值，实现了将秘密信息转化为一组高斯随机序列。
具体的，步骤2中对每个信息块进行码型变换的规则为：交替选择{01，10}中的一个码元来代替“0”码元；交替选择{00，11}中的一个码元来代替“1”码元。
具体的，步骤3中对每个信息块的均匀化的规则为：随机选择{00，01}中的一个码元来代替“0”码元；随机选择{10，11}中的一个码元来代替“1”码元。
具体的，步骤4中对每个数据块插入检测比特与纠错比特时，在每个数据块中随机的插入d位检测比特，在每个数据块的末尾插入1位纠错码。
具体的，本实施例中，纠错码采用奇偶校验码，纠错码还可以选择汉明码，级连码，Turbo码，LDPC码，循环冗余校验码等。
具体的，步骤5包括如下步骤：
步骤5a：利用原始的高斯随机序列G1生成均值为0，方差为VA的高斯分布曲线；G1为原始的高斯随机序列，经过高斯调制后得到的高斯随机序列的方差应该与原始高斯随机序列G1的方差相同。
步骤5b：将生成的高斯分布曲线分成等概率的
Figure BDA0002909426060000051
个区间，k为待发送秘密信息的长度，m为待发送信息的分块个数，n为均匀化后的数据块个数，d为插入的检测比特位数，根据不同秘密信息的长度将以及分块方式，可以将高斯分布曲线分为相应个数的等概率区间。
具体的，步骤6包括如下子步骤：
步骤6a：将所述步骤4得到的数据块与步骤5b中的区间进行一一对应，随机选择每个区间中的任意一个高斯随机数与信息块对应的码型进行映射，得到一串高斯随机数值；
步骤6b：所述步骤1中的每一个信息块得到对应的一串高斯随机数值，所有信息块得到的高斯随机数值组成一组高斯随机序列，即将秘密信息转换为一组高斯随机序列。
本实施例中还公开了一种连续变量量子安全直接通信系统，包括信源Alice、信宿Bob、量子信道以及认证的经典信道，所述信源Alice处采用如上述实施例中的高斯调制方法将发送的信息通过高斯调制转换为一组高斯随机序列后，再与信宿Bob进行通信。
实施例2
本发明通过在协议的高斯映射阶段对秘密信息进行高斯调制，解决了将秘密信息直接编译为高斯序列所造成的均值和方差的偏移问题以及系统的安全性问题。具体步骤如下：
步骤1：将长度k＝12的秘密信息“110010100100”以二比特(a＝2)为单位分成6个信息块(m＝6)后，以其中一个信息块“01”为例；
步骤2：通过码型变换使得“0”、“1”出现的概率相同，即交替选择{01，10}中的一个码元来代替“0”码元，交替选择{00，11}中的一个码元来代替“1”码元。
在本实施例中，信息块“01”经过等概率分布后转换为“0100”。
步骤3：将等概的信息转化为均匀分布的二比特数据块(n＝24，b＝4)，其中每块数据块分成4块，即随机选择{00，01}中的一个码元来代替“0”码元，随机选择{10，11}中的一个码元来代替“1”码元。
在本实施例中，经过信息块的均匀化后，“0100”转换为“00，11，01，01”。
步骤4：在每一块中随机插入1位检测比特(d＝1)，并在末尾插入奇偶校验码。
在本实施例中，将均匀化后的信息块分为4个数据块，令d＝1，即在每个数据块中随机插入一位检测比特，并在其末尾插入奇偶校验码。数据块转换为“0101，1101，0011，1010”。
步骤5：利用高斯随机序列G1生成均值为0，方差为VA(大于等于0)的高斯分布曲线，然后把高斯分布曲线分成等概率的
Figure BDA0002909426060000061
个区间。
步骤6：按照等概率的划分原则将不同数据块映射为不同区域的任意高斯随机数值，得到与之对应的一串高斯随机数值，每一个信息块得到对应的一串高斯随机数值，所有信息块得到的高斯随机数值组成一组高斯随机序列，即将秘密信息转换为一组高斯随机序列。
在本实施例中，高斯分布曲线被等概率的分为8个区间(000～111)之后，选取“010，110，001，101”所在区间内的任意一个高斯随机数，得到一串高斯随机数值，而且所选取的高斯随机数属于高斯序列G1。以信息块“01”为例所得到的高斯映射值为“-1.1,2.4，-2.8，1.6”。每个信息块通过高斯调制都会得到一串高斯随机数值，所有信息块得到的高斯随机数值构成一组高斯随机序列，即秘密信息最终被转变为一组高斯随机序列。
如果不进行高斯调制，而是直接将秘密信息编译为高斯序列后调制到信号光上，则高斯分布曲线的均值和方差将会发生变换，如示例图所示。这会直接影响参数估计阶段，对调制方差的错误估计，从而影响信道参数的估计，并且也会导致在数据协商阶段对数据的错误协商，从而影响对秘密信息的还原，导致出现严重的误差，则系统的安全性将得不到保证。
如示例图2所示，从左往右依次为原始高斯序列数据图，未经过高斯调制的高斯序列数据图，经过高斯调制后的数据图。每组数据图包含两个子图：高斯序列本身及其概率密度函数。对通过高斯映射后的数据分析发现其数据图与理论分析的大体上贴近，未经过高斯映射所带来的均值和方差的偏移问题以及系统的安全性问题得到解决。

Claims (5)

1.一种高斯调制方法，其特征在于，用于将信源处发送的信息通过高斯调制转换为一组高斯随机序列后再与信宿进行通信，方法包括如下步骤：
步骤1：将待发送的信息进行分块，获得m个信息块且m＝k/a，其中，k为待发送的信息的长度，a为分块长度，m、a为正整数；
步骤2：对步骤1获得的m个信息块进行码型变换，获得等概率分布的m个信息块；
步骤3：将步骤2获得的等概率分布的每个信息块进行均匀化，获得n个数据块，其中，n＝bm，n、b为正整数；
步骤4：在步骤3获得n个数据块中，逐个对数据块插入检测比特与纠错比特，至所有数据块插入完成后，得到n个安全数据块；
步骤5：获取高斯随机序列并生成高斯分布曲线，将高斯分布曲线划分成等概率的
Figure FDA0002909426050000011
个区间，其中，d表示插入检测比特的位数，d为正整数；
步骤6：对步骤4得到的n个安全数据块与步骤5得到的区间根据每个安全数据块的码型建立一一对应关系，对每个安全数据块获取其所对应的区间内的任意一个高斯随机数，将所有安全数据块所对应的高斯随机数作为高斯随机序列。
2.如权利要求1所述的高斯调制方法，其特征在于，步骤2中对每个信息块进行码型变换的规则为：交替选择{01，10}中的一个码元来代替“0”码元；交替选择{00，11}中的一个码元来代替“1”码元。
3.如权利要求1所述的高斯调制方法，其特征在于，步骤3中对每个信息块的均匀化的规则为：随机选择{00，01}中的一个码元来代替“0”码元；随机选择{10，11}中的一个码元来代替“1”码元。
4.如权利要求1所述的高斯调制方法，其特征在于，步骤4中对每个数据块插入检测比特与纠错比特时，在每个数据块中随机的插入d位检测比特，在每个数据块的末尾插入1位纠错码。
5.一种连续变量量子安全直接通信系统，包括信源Alice、信宿Bob、量子信道以及认证的经典信道，其特征在于，所述信源Alice处采用如权利要求1-4中任一种高斯调制方法将发送的信息通过高斯调制转换为一组高斯随机序列后，再与信宿Bob进行通信。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114079540A (zh) * 2021-11-11 2022-02-22 珠海格力电器股份有限公司 一种数据修复方法、装置、通讯设备及空调机组

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040109564A1 (en) * 2002-07-05 2004-06-10 Nicolas Cerf High-rate quantum key distribution scheme relying on continuously phase and amplitude-modulated coherent light pulses
CN1531208A (zh) * 2002-12-18 2004-09-22 日本电气株式会社 编码调制方法及装置、解调方法及装置、信息记录介质
CN105024809A (zh) * 2015-07-22 2015-11-04 上海交通大学 基于高斯调制相干态的长距离连续变量量子密钥分发方法
CN107359987A (zh) * 2017-07-07 2017-11-17 上海交通大学 有限维度效应下连续变量量子密钥分发多维协商方法
CN108696321A (zh) * 2018-04-09 2018-10-23 西北大学 基于连续变量的两步量子安全直接通信方法
CN111865588A (zh) * 2020-08-07 2020-10-30 西藏民族大学 一种高效量子秘密信息互换方法、系统及存储介质
CN111901113A (zh) * 2020-08-12 2020-11-06 中国科学技术大学 一种基于高斯密集调制的连续变量量子密钥分发方法
CN112187452A (zh) * 2020-08-24 2021-01-05 扬州大学 用于连续变量量子密钥分发的传输方法

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040109564A1 (en) * 2002-07-05 2004-06-10 Nicolas Cerf High-rate quantum key distribution scheme relying on continuously phase and amplitude-modulated coherent light pulses
CN1531208A (zh) * 2002-12-18 2004-09-22 日本电气株式会社 编码调制方法及装置、解调方法及装置、信息记录介质
CN105024809A (zh) * 2015-07-22 2015-11-04 上海交通大学 基于高斯调制相干态的长距离连续变量量子密钥分发方法
CN107359987A (zh) * 2017-07-07 2017-11-17 上海交通大学 有限维度效应下连续变量量子密钥分发多维协商方法
CN108696321A (zh) * 2018-04-09 2018-10-23 西北大学 基于连续变量的两步量子安全直接通信方法
CN111865588A (zh) * 2020-08-07 2020-10-30 西藏民族大学 一种高效量子秘密信息互换方法、系统及存储介质
CN111901113A (zh) * 2020-08-12 2020-11-06 中国科学技术大学 一种基于高斯密集调制的连续变量量子密钥分发方法
CN112187452A (zh) * 2020-08-24 2021-01-05 扬州大学 用于连续变量量子密钥分发的传输方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ZHENGWEN CAO,: "《Continuous-Variable Quantum Secure Direct Communication Based on Gaussian Mapping》", 《PHYSICAL REVIEW APPLIED 16》 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114079540A (zh) * 2021-11-11 2022-02-22 珠海格力电器股份有限公司 一种数据修复方法、装置、通讯设备及空调机组

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