CN113890735A - 基于量子密钥分发的大质数累乘对称加密方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于量子密钥分发的大质数累乘对称加密方法，通过量子态传递实现通信双方的真随机数同步共享，将协商纠错后的量子真随机数序列转换为定长编号，从定长编号预定义的大质数库中取出大质数进行累乘，根据定长编号特定位结果确定是否继续累乘，将累乘项数随机的大质数积转换为对称加密密码，支持通信双方对称通信加密。本发明通过量子真随机数同步共享实现双方大质数同步共享、根据量子真随机数计算结果确定大质数累乘节点提升不确定度，可将数位量子密钥编译为数十位甚至更高的对称密码；通信双方协商一致的大质数库内随机选取的大质数越大，编译扩码比例越高，数据传输的隐蔽性和安全性越强，具备无限复杂变换能力。
Description
技术领域
本发明属于光纤通信、量子通信和密码学的交叉学科领域，具体是指一种利用量子密钥分发系统为远端用户随机分发真随机数序列、利用真随机数序列协商大质数和累乘节点，实现高速对称加密的方法，尤其涉及一种基于量子密钥分发的大质数累乘对称加密方法。
背景技术
量子通信技术基于海森堡测不准原理、量子不可分离原理、量子不可克隆原理等，是目前公认的、在理论上具备无条件安全性的通信技术。量子通信技术的核心是将真随机量子态保真无损的分发给通信双方，任何对传输信道的干扰(无论是窃听攻击还是环境变化)都会破坏通信双方的量子态同步共享机制并引起警觉。量子通信技术群中最为成熟的是量子密钥分发技术，此时同步共享的量子态被通信双方用于生成实时共享的密钥；按照量子态的使用方式不同，量子通信技术群还包括量子隐形传态、量子直接通信、量子授时同步等技术分支。受量子光源输出重复频率、单光子探测器探测效率、传输信道(光纤)本征损耗等因素制约，现阶段量子分发速率始终限制在1kbps/100km量级，难以满足现代通信网络的高速数据传输需求。
发明内容
基于现有技术的问题，本发明要解决的技术问题是如何实现通信双方量子真随机数同步共享以实现高速数据传输。
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于量子密钥分发的大质数累乘对称加密方法，参照通用量子密钥分发技术路线，实现通信双方量子真随机数同步共享，将协商纠错后的量子真随机数序列转换为定长编号，通信双方根据此定长编号从预定义大质数库中取出大质数进行累乘，根据定长编号求和结果确定累乘是否终止，以此实现基于大质数累乘的对称加密。
为了达到上述效果，本发明提供的基于量子密钥分发的大质数累乘对称加密方法，参照通用量子密钥分发技术路线，通过量子态传递实现通信双方的真随机数同步共享，将协商纠错后的量子真随机数序列转换为定长编号，从定长编号预定义的大质数库中取出大质数进行累乘，根据定长编号特定位结果确定是否继续累乘，将累乘项数随机的大质数积转换为对称加密密码，支持通信双方对称通信加密。
优选的，量子密钥分发通过发送方和接收方进行，发送方和接收方之间由独立地量子信道互联；发送方和接收方共享信息满足不可克隆要求和不可复制要求。
优选的，发送方和接收方通过协商交互和信息后处理可提出错误量子比特，获取同步共享的量子真随机数序列。
优选的，大质数库内包含多个随机选取的大质数，每一个大质数对应一个较小的序号。
优选的，将量子密钥分发产生的真随机数序列按序号长度分离，从大质数库内提取相应的大质数。
优选的，对量子真随机数序列产生的随机数进行计算，结果为1时此大质数将与前一质数累乘，此结果为0时此大质数将直接使用，将所有的大质数结果或大质数累乘结果按序排列即可为通信双方建立对称密钥。
一种基于量子密钥分发的大质数累乘对称加密方法，包括：
S101、量子密钥分发，通过量子态传递实现通信双方的真随机数同步共享；
S102、大质数选取，将协商纠错后的量子真随机数序列转换为定长编号，从定长编号预定义的大质数库中取出大质数进行累乘；
S103、累乘节点的选取，根据定长编号特定位结果确定是否继续累乘；
S104、大质数积密码的生成，将累乘项数随机的大质数积转换为对称加密密码，支持通信双方对称通信加密。
优选的，上述量子密钥分发通过发送方和接收方进行，发送方通过量子态编码系统随机选择两组正交基矢中的一种对单光子进行调制，接收方通过偏振控制器和偏振分束器随机选择两组正交基矢中的一种对单光子进行解调并通过单光子探测器探测，发送方和接收方利用公开信道对比测量结果、剔除无用信息，双方获得同步共享的二进制量子真随机数序列，即为量子密钥分发。
一种实现如上述基于量子密钥分发的大质数累乘对称加密方法的系统，包括量子光源、偏振控制器、偏振分束器、单光子探测器、量子态编码子系统、量子态解码子系统、大质数数据库(大质数库)，还包括：
量子密钥分发模块，用于通过量子态传递实现通信双方的真随机数同步共享；
大质数选取模块，用于将协商纠错后的量子真随机数序列转换为定长编号，从定长编号预定义的大质数库中取出大质数进行累乘；
累乘节点选取模块，用于根据定长编号特定位结果确定是否继续累乘；
大质数积密码生成模块，用于将累乘项数随机的大质数积转换为对称加密密码，支持通信双方对称通信加密。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述方法。
一种计算机程序产品，包括计算机程序/指令，该计算机程序/指令被处理器执行时实现上述方法的步骤。
与现有技术相比，本发明可通过量子真随机数同步共享实现双方大质数同步共享、根据量子真随机数计算结果确定大质数累乘节点提升不确定度，可将数位量子密钥编译为数十位甚至更高的对称密码；通信双方协商一致的大质数库内随机选取的大质数越大，编译扩码比例越高，数据传输的隐蔽性和安全性越强，具备无限复杂变换能力；此外，本发明可与其它密码方案平行运转，高度兼容于现有通信网络架构以及RSA公钥体制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本发明排序置换安全通信方案示意图；
图2示出了本发明基于量子密钥分发的大质数累乘对称加密方法一种实施例原理图；
图3示出了本发明基于量子密钥分发的大质数累乘对称加密方法另一种实施例原理图。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本发明，并不被配置为限定本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本发明提供了一种基于量子密钥分发的大质数累乘对称加密方法的实施例，参照通用量子密钥分发技术路线，通过量子态传递实现通信双方的真随机数同步共享，将协商纠错后的量子真随机数序列转换为定长编号，从定长编号预定义的大质数库中取出大质数进行累乘，根据定长编号特定位结果确定是否继续累乘，将累乘项数随机的大质数积转换为对称加密密码，支持通信双方对称通信加密。
在一些实施例中，量子密钥分发通过发送方和接收方进行，发送方和接收方之间由独立地量子信道互联；发送方和接收方共享信息满足不可克隆要求和不可复制要求。
在一些实施例中，发送方和接收方通过协商交互和信息后处理可提出错误量子比特，获取同步共享的量子真随机数序列。
在一些实施例中，大质数库内包含多个随机选取的大质数，每一个大质数对应一个较小的序号。
在一些实施例中，将量子密钥分发产生的真随机数序列按序号长度分离，从大质数库内提取相应的大质数。
在一些实施例中，对量子真随机数序列产生的随机数进行计算，结果为1时此大质数将与前一质数累乘，此结果为0时此大质数将直接使用，将所有的大质数结果或大质数累乘结果按序排列即可为通信双方建立对称密钥。
本发明提供了一种基于量子密钥分发的大质数累乘对称加密方法的实施例，参照通用量子密钥分发技术路线，实现通信双方量子真随机数同步共享，将协商纠错后的量子真随机数序列转换为定长编号，通信双方根据此定长编号从预定义大质数库中取出大质数进行累乘，根据定长编号求和结果确定累乘是否终止，以此实现基于大质数累乘的对称加密。
在一些实施例中，发送方和接收方之间由独立地量子信道互联；发送方和接收方共享信息满足不可克隆要求和不可复制要求。
在一些实施例中，发送方和接收方通过协商交互和信息后处理可提出错误量子比特，获取同步共享的量子真随机数序列。
在一些具体实施例中，量子密钥分发协议包括但不限于BB84协议、E91协议、BBM92协议、高维量子密钥分发协议、时间-能量纠缠协议、TF协议、连续变量量子密钥分发协议等。
在一些具体实施例中，信息载体包括但不限于光量子、自旋电子等。
在一些具体实施例中，量子信道包括但不限于光纤、电缆、自由空间等。
在一些具体实施例中，编码自由度包括但不限于偏振、时间比特、相位、频率、模场、自旋方向等。
在一些实施例中，大质数库(大质数数据库)内包含多个随机选取的大质数，每一个大质数对应一个较小的序号。
在一些实施例中，将量子密钥分发产生的真随机数序列按序号长度分离，从大质数库内提取相应的大质数；对量子真随机数序列产生的随机数进行计算，结果为1时此大质数将与前一质数累乘，此结果为0时此大质数将直接使用，将所有的大质数结果或大质数累乘结果按序排列即可为通信双方建立对称密钥。
在一些具体实施例中，不限定大质数库建立方式、不限定序号上限、不限定判别是否累乘的计算方式，凡与本实施例所述量子密钥分发确定序号→大质数库内提取大质数→对大质数进行复杂度提升的计算操作→编译生成对称密钥的工作流程接近或一致的对称加密方法均在本发明范围内。
如图1所示，展示了一种基于量子密钥分发的大质数累乘对称加密方法的实施例，具体实施步骤如下：
(1)量子光源产生的单光子序列等概率具有不同的量子态，发送方Alice通过量子态编码系统随机选择两组正交基矢中的一种对单光子进行调制，接收方Bob通过偏振控制器和偏振分束器随机选择两组正交基矢中的一种对单光子进行解调并通过单光子探测器探测，Alice和Bob利用公开信道对比测量结果、剔除无用信息，双方获得同步共享的二进制量子真随机数序列001100011110000，此过程即为量子密钥分发；
(2)Alice和Bob事先协商过一个大质数数据库，每一个3位二进制数序号对应唯一的、随机选取的一个大质数(为简化表述，图中只使用了1000以内的8个随机数)；
(3)Alice和Bob根据事前约定，将二进制量子真随机数序列拆解为五个3位二进制数序号，分别为001、100、011、110、000；
(4)Alice和Bob根据随机产生的3位二进制序号获取同步共享的大质数，分别为383、661、509、821、229；
(5)Alice和Bob将3位二进制数序号中的每一位加起来，结果为1则继续累乘，结果为0则终止累乘，大质数累乘结果为383*661,、509、821*229，换算为二进制结果为111101110011101011、111111101、101101111001101001。
(6)Alice和Bob将编码结果整合即可将原有的12为量子密钥编译成45位对称密码：111101110011101011111111101101101111001101001。
如图2所示，本发明提供一种基于量子密钥分发的大质数累乘对称加密方法的实施例，具体包括：
S101、量子密钥分发，通过量子态传递实现通信双方的真随机数同步共享；
S102、大质数选取，将协商纠错后的量子真随机数序列转换为定长编号，从定长编号预定义的大质数库中取出大质数进行累乘；
S103、累乘节点的选取，根据定长编号特定位结果确定是否继续累乘；
S104、大质数积密码的生成，将累乘项数随机的大质数积转换为对称加密密码，支持通信双方对称通信加密。
如图3所示，本发明提供一种基于量子密钥分发的大质数累乘对称加密方法的实施例，具体包括：
S201、量子光源产生的单光子序列等概率具有不同的量子态，发送方通过量子态编码系统随机选择两组正交基矢中的一种对单光子进行调制，接收方通过偏振控制器和偏振分束器随机选择两组正交基矢中的一种对单光子进行解调并通过单光子探测器探测，发送方和接收方利用公开信道对比测量结果、剔除无用信息，双方获得同步共享的二进制量子真随机数序列，完成量子密钥分发；
S202、发送方和接收方事先协商过一个大质数数据库，每一个3位二进制数序号对应唯一的、随机选取的一个大质数；
S203、发送方和接收方根据事前约定，将二进制量子真随机数序列拆解为五个3位二进制数序号；
S204、发送方和接收方根据随机产生的3位二进制序号获取同步共享的大质数；
S205、发送方和接收方将3位二进制数序号中的每一位加起来，结果为1则继续累乘，结果为0则终止累乘，将大质数累乘结果换算为二进制结果；
S206、发送方和接收方将编码结果整合即可将原有的数为量子密钥编译成一定位数的对称密码。
在一些实施例中，量子密钥分发通过发送方和接收方进行，发送方通过量子态编码系统随机选择两组正交基矢中的一种对单光子进行调制，接收方通过偏振控制器和偏振分束器随机选择两组正交基矢中的一种对单光子进行解调并通过单光子探测器探测，发送方和接收方利用公开信道对比测量结果、剔除无用信息，双方获得同步共享的二进制量子真随机数序列，即为量子密钥分发。
本发明还提供一种实现基于量子密钥分发的大质数累乘对称加密方法的系统的实施例，包括量子光源、偏振控制器、偏振分束器、单光子探测器、量子态编码子系统、量子态解码子系统、大质数数据库(大质数库)，还包括：
量子密钥分发模块，用于通过量子态传递实现通信双方的真随机数同步共享；
大质数选取模块，用于将协商纠错后的量子真随机数序列转换为定长编号，从定长编号预定义的大质数库中取出大质数进行累乘；
累乘节点选取模块，用于根据定长编号特定位结果确定是否继续累乘；
大质数积密码生成模块，用于将累乘项数随机的大质数积转换为对称加密密码，支持通信双方对称通信加密。
本发明还提供一种计算机可读存储介质的实施例，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述方法。
本发明还提供一种计算机程序的实施例，该程序被处理器执行时实现上述方法。
与现有技术相比，本发明具有以下优势：
首先，本发明可通过量子真随机数同步共享实现双方大质数同步共享、根据量子真随机数计算结果确定大质数累乘节点提升不确定度，可将数位量子密钥编译为数十位甚至更高的对称密码；通信双方协商一致的大质数库内随机选取的大质数越大，编译扩码比例越高，数据传输的隐蔽性和安全性越强，具备无限复杂变换能力；
此外，本发明可与其它密码方案平行运转，高度兼容于现有通信网络架构以及RSA公钥体制。
为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
本申请可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本申请，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。
内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。内存是计算机可读介质的示例。
计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。
Claims (10)
1.一种基于量子密钥分发的大质数累乘对称加密方法，参照通用量子密钥分发技术路线，通过量子态传递实现通信双方的真随机数同步共享，将协商纠错后的量子真随机数序列转换为定长编号，从定长编号预定义的大质数库中取出大质数进行累乘，根据定长编号特定位结果确定是否继续累乘，将累乘项数随机的大质数积转换为对称加密密码，支持通信双方对称通信加密。
2.根据权利要求1所述的基于量子密钥分发的大质数累乘对称加密方法，所述量子密钥分发通过发送方和接收方进行，发送方和接收方之间由独立地量子信道互联；发送方和接收方共享信息满足不可克隆要求和不可复制要求。
3.根据权利要求2所述的基于量子密钥分发的大质数累乘对称加密方法，所述发送方和接收方通过协商交互和信息后处理可提出错误量子比特，获取同步共享的量子真随机数序列。
4.根据权利要求1所述的基于量子密钥分发的大质数累乘对称加密方法，所述大质数库内包含多个随机选取的大质数，每一个大质数对应一个较小的序号。
5.根据权利要求1或4所述的基于量子密钥分发的大质数累乘对称加密方法，将量子密钥分发产生的真随机数序列按序号长度分离，从大质数库内提取相应的大质数。
6.根据权利要求1或5所述的基于量子密钥分发的大质数累乘对称加密方法，对量子真随机数序列产生的随机数进行计算，结果为1时此大质数将与前一质数累乘，此结果为0时此大质数将直接使用，将所有的大质数结果或大质数累乘结果按序排列即可为通信双方建立对称密钥。
7.根据权利要求1-6之一所述的基于量子密钥分发的大质数累乘对称加密方法，具体包括：
S101、量子密钥分发，通过量子态传递实现通信双方的真随机数同步共享；
S102、大质数选取，将协商纠错后的量子真随机数序列转换为定长编号，从定长编号预定义的大质数库中取出大质数进行累乘；
S103、累乘节点的选取，根据定长编号特定位结果确定是否继续累乘；
S104、大质数积密码的生成，将累乘项数随机的大质数积转换为对称加密密码，支持通信双方对称通信加密。
8.根据权利要求1或7所述的基于量子密钥分发的大质数累乘对称加密方法，所述量子密钥分发通过发送方和接收方进行，发送方通过量子态编码系统随机选择两组正交基矢中的一种对单光子进行调制，接收方通过偏振控制器和偏振分束器随机选择两组正交基矢中的一种对单光子进行解调并通过单光子探测器探测，发送方和接收方利用公开信道对比测量结果、剔除无用信息，双方获得同步共享的二进制量子真随机数序列，即为量子密钥分发。
9.一种实现如权利要求1-8所述基于量子密钥分发的大质数累乘对称加密方法的系统，包括量子光源、偏振控制器、偏振分束器、单光子探测器、量子态编码子系统、量子态解码子系统、大质数数据库(大质数库)，还包括：
量子密钥分发模块，用于通过量子态传递实现通信双方的真随机数同步共享；
大质数选取模块，用于将协商纠错后的量子真随机数序列转换为定长编号，从定长编号预定义的大质数库中取出大质数进行累乘；
累乘节点选取模块，用于根据定长编号特定位结果确定是否继续累乘；
大质数积密码生成模块，用于将累乘项数随机的大质数积转换为对称加密密码，支持通信双方对称通信加密。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现权利要求1-8任一项所述方法。
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