CN113949506B

CN113949506B - 基于量子分发波形共享的安全通信方法

Info

Publication number: CN113949506B
Application number: CN202010689420.0A
Authority: CN
Inventors: 郭凯; 曹毅宁; 王俊华; 许波
Original assignee: Institute of Network Engineering Institute of Systems Engineering Academy of Military Sciences
Current assignee: Institute of Network Engineering Institute of Systems Engineering Academy of Military Sciences
Priority date: 2020-07-17
Filing date: 2020-07-17
Publication date: 2023-09-19
Anticipated expiration: 2040-07-17
Also published as: CN113949506A

Abstract

本发明公开了一种基于量子分发波形共享的安全通信方法、系统及存储介质，通过量子分发实现通信双方真随机数同步共享，通过实时刷新的真随机数序列协商干扰波形法则，通过干扰波形变换‑反变换操作获得物理层安全特性。本发明是一种独立于信源加密的信道防护手段(攻击者需破解波形法则才能将拦截到的离散信号或模拟信号还原为数字信号)，可以作为现有信源加密技术的重要补充，为光纤通信、无线电通信、无线光通信等提供信道安全防护保障。

Description

基于量子分发波形共享的安全通信方法

技术领域

本发明属于光纤通信、无线通信和量子通信的交叉学科领域，具体是指一种利用量子分发实现远端用户信息同步、通过逻辑定义(数模转换)同步共享波形法则、利用波形变换实现通信信道安全防护的通信技术，尤其涉及一种基于量子分发波形共享的安全通信方法、系统及存储介质。

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具备真随机属性的量子态保真无损地分发给通信双方，任何对传输信道的干扰(无论是来自具备窃听动机的攻击行为还是来自不可抗力的客观影响)都会破坏通信双方的量子态同步共享并引起察觉。量子通信技术分支中最为成熟的是量子保密通信技术，其本质是通过量子分发实现通信双方母本密钥实时共享(量子密钥分发)，通过母本密钥或母本密钥变换生成的密码对明文信息进行加密处理；量子态真随机特性最大限度避免了暴力破解风险，在信道层面(分发)和信源层面(加密)同时具备安全通信能力。

受量子光源、单光子探测器和传输信道损耗等因素影响，现阶段量子分发速率始终限制在1kbps@100km量级，“一次一密”工作模式下难以适应现代通信网络高速业务需求。另一方面，在量子保密通信系统中，只有量子密钥分发过程具备信道防护能力，通信信息仍以可解析的数字信号形式传递。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提出一种基于量子分发波形共享的安全通信方法，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(量子分发)；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，从预定义波形库中取出干扰波形(波形共享)，以此对通信信号进行信道层面的波形变换(数模转换，等同于加密)和波形反变换(模数转换，等同于解密)，实现通信信道层面的安全防护。

为了达到上述效果，本发明提供的基于量子分发波形共享的安全通信方法包括：

步骤一、通过量子分发实现通信双方真随机数同步共享；

步骤二、按定长位将二进制真随机数转换为序号序列并从通信双方预先协商的波形库中提取干扰波形；

步骤三、发送方利用干扰波形对通信信号进行变换操作，从数字信号到离散信号或模拟信号，确保即便攻击者从信道中拦截到该传输信号也无法分离出通信信号；

步骤四、接收方利用干扰波形对通信信号进行反变换操作，从离散信号或模拟信号到数字信号，并获取通信信号携带的有效信息；

步骤五、量子分发产生的同步共享真随机数实时更新，通信双方协商一致的波形也实时刷新。

优选的，上述步骤一具体包括：

步骤1.1、发送方和接收方之间由独立地量子信道互联；

步骤1.2、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；

步骤1.3、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，上述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。

优选的，上述信息载体包括但不限于光量子、自旋电子等，所述量子信道包括但不限于光纤、电缆、自由空间等，所述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。

优选的，上述步骤二中波形库内包含多个互不相同的干扰波形并按序编号。

优选的，上述干扰波形为离散信号或模拟信号或数字信号；干扰波形的时间长度可以但不限于等于整数位比特通信信号时间长度。

优选的，上述离散干扰波形的最大振幅可以但不限于数倍于数字通信信号最大振幅；模拟干扰波形包括但不限于各频率正余弦波形、三角波形/方波波形/锯齿波形和其它各类不规则波形以及它们的叠加形式；干扰波形生成方式包括但不限于单次使用库内波形、重复使用库内波形、加权组合库内波形等。

优选的，上述步骤三变换操作包括发送方利用变换波形将数字通信信号转变为无逻辑意义的离散信号或模拟信号，攻击者在不知悉变换波形的前提下无法正确地分离出数字通信信号，接收方利用变换波形可将传输信号还原为数字通信信号并提取有效信息。

优选的，波形变换方法包括但不限于强度叠加、振幅叠加(即允许干扰波形和数字通信信号反相抵消)、时/频/空域傅立叶变换等，实现方式包括但不限于逻辑方式(数学叠加后直接产生新波形)、电学方式(通过电路实现)、光学方式(通过光路实现)，应用场景包括但不限于光纤通信、无线电通信、无线光通信等。

一种实现如上所述基于量子分发波形共享的安全通信方法的系统，包括：

同步共享单元，用于通过量子分发实现通信双方真随机数同步共享；

干扰波形提起单元，用于按定长位将二进制真随机数转换为序号序列并从通信双方预先协商的波形库中提取干扰波形；

波形变换操作单元，用于发送方利用干扰波形对通信信号进行变换操作，从数字信号到离散信号或模拟信号，确保即便攻击者从信道中拦截到该传输信号也无法分离出通信信号；

波形反变换操作单元，用于接收方利用干扰波形对通信信号进行反变换操作，从离散信号或模拟信号到数字信号，并获取通信信号携带的有效信息；

波形刷新单元，用于量子分发产生的同步共享真随机数实时更新，通信双方协商一致的波形也实时刷新。

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的步骤。

与现有技术相比，本发明将信道防护扩展到了通信环节：利用量子分发实现远端用户信息同步；通过逻辑定义(数模转换)同步共享波形法则，即通信双方事先共享一个波形库、量子分发同步信息(数字信号)仅仅用于决定通信双方共享的具体波形(离散信号或模拟信号)；最后利用波形变换实现通信信道安全防护，即发送方利用共享波形法则对通信信号进行混叠隐藏或数模转换，接收方利用共享波形法则对通信信号进行分离解译或模数转换。本发明独立于信源加密的信道防护手段(攻击者需破解波形法则才能将拦截到的离散信号或模拟信号还原为数字信号)，可以作为现有信源加密技术的重要补充，为光纤通信、无线电通信、无线光通信等提供信道安全防护保障。

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示出了本发明量子分发示意图；

图2示出了本发明波形共享与安全通信示意图，2(a)为波形库，2(b)为数字通信信号，2(c)为量子真随机数序列，2(d)为模拟传输信号。

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。

本实施例提供一种基于量子分发波形共享的安全通信方法，包括三个部分：

量子分发，即通过量子态传递实现通信双方真随机数同步共享；

波形共享，即实现量子真随机数向干扰波形的映射转换(数学逻辑同步共享转换物理波形同步共享)；

安全通信，即利用时变同步的干扰波形保护信道内传递的通信信号。

本发明提供一种基于量子分发波形共享的安全通信方法的实施例，包括：

步骤一、通过量子分发实现通信双方真随机数同步共享；

在一些实施例中，步骤一具体包括：

步骤1.1、发送方和接收方之间由独立地量子信道互联；

在一些实施例中，步骤一具体包括：

步骤1.1、发送方和接收方之间由独立地量子信道互联；

步骤1.2、发送方生成二进制随机数序列，将其调制成量子态并通过量子信道发送给接收方；

步骤1.3、接收方测量量子态并接收方通过安全认证的经典信道与发送方交互其测量方法(而非测量结果)，同时估算窃听者可能获取的信息；

步骤1.4、发送方与接收方通过协商纠错，剔除窃听者可能获取的信息以及传输中产生的量子比特误码，获取同步共享的量子真随机数序列；

步骤1.5、发送方和接收方通过量子比特误码率判断信道是否安全，如果量子比特误码率超过理论安全阈值，则认定量子信道遭遇窃听。

在一些实施例中，上述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。

在一些实施例中，上述信息载体包括但不限于光量子、自旋电子等，所述量子信道包括但不限于光纤、电缆、自由空间等，所述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，上述步骤二中波形库内包含多个互不相同的干扰波形并按序编号。

在一些实施例中，步骤二具体包括：

步骤2.1、每3位一组将二进制真随机数序列转换为序号序列，例如二进制真随机数序列000110001011可转换为0613；

步骤2.2、按照序号序列从通信双方预先协商的波形库中提取干扰波形，即从波形库中选择第1个波形(序号为0)、第7个波形(序号为6)、第2个波形(序号为1)、第4个波形(序号为3)，依次串联各波形形成总的干扰波形。

在一些实施例中，上述干扰波形为离散信号或模拟信号或数字信号；干扰波形的时间长度可以但不限于等于整数位比特通信信号时间长度。

在一些实施例中，上述离散干扰波形的最大振幅可以但不限于数倍于数字通信信号最大振幅；模拟干扰波形包括但不限于各频率正余弦波形、三角波形/方波波形/锯齿波形和其它各类不规则波形以及它们的叠加形式；干扰波形生成方式包括但不限于单次使用库内波形、重复使用库内波形、加权组合库内波形等。

在一些实施例中，上述步骤三变换操作包括发送方利用变换波形将数字通信信号转变为无逻辑意义的离散信号或模拟信号，攻击者在不知悉变换波形的前提下无法正确地分离出数字通信信号，接收方利用变换波形可将传输信号还原为数字通信信号并提取有效信息。

在一些实施例中，步骤三具体包括：

步骤3.1、发送方将明文信息编译成数字信号；

步骤3.2、通过信号缩放，另数字信号振幅等于离散信号(干扰波形)最小单位振幅；

步骤3.3、利用干扰波形对通信信号进行变换操作，即将数字信号叠加于离散信号之上，形成振幅略有变化的离散信号。

在一些实施例中，步骤四具体包括：

步骤4.1、接收方对接收到的离散信号进行幅度缩放，使其最小单位振幅等于干扰波形离散信号最小单位振幅；

步骤4.2、接收方将离散信号和干扰波形做差值运算，分离出数字信号；

步骤4.3、接收方将数字信号还原文明文信息。

本发明还提供一种实现如上述基于量子分发波形共享的安全通信方法的系统，包括：

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的步骤。

如图1所示，本发明提供了一种基于单光子偏振态的量子分发系统示意图，量子光源产生的单光子序列等概率具有四种偏振态H(水平)、V(竖直)、+(45°)、-(135°)中的一种；发送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组(H/V或+/-)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组(H/V或+/-)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比对测量结果并剔除无效信息，双方获得同步共享的量子(二进制)真随机数序列；以此真随机数序列用作二进制密钥即为量子密钥分发。

如图2所示，本发明公开了一种简单的波形共享方案实施例，其中量子真随机数定长为3比特位，对应波形库(a)中的8种波形；示例波形为离散信号而非数字信号，长度对应8比特位，最大振幅是最小振幅的8倍(示例波形也可为连续变化模拟信号，长度可根据实际情况进行调整，最大振幅与最小振幅的关系不限)；发送方准备向接收方发送编码为10100011000111011100011010000011的32位数字通信信号，在传统通信中以(b)所示序列传输；本发明所述技术方案中，发送方和接收方通过量子分发获得(协商后)同步共享真随机数序列000110001011，按定长3比特位转换为二进制序号000/110/001/011并(从波形库中按序选取波形)生成(c)所示干扰波形。

本发明公开了一种安全通信的实施例，发送方将数字通信信号与干扰波形直接叠加生成离散传输信号，接收方利用相同的干扰波形将数字通信信号从离散传输信号中分离出来；窃听者虽然可以拦截传输信道并获取离散传输信号，但因缺失干扰波形信息而无法正确提取数字通信信号；极端情况下，即使窃听者通过长时间拦截窃听破译了波形库的全部内容并提取了数字通信信号，仍然需要破译信源密码。因此，本发明可作为信源保密通信体系的重要补充，大幅降低安全时效时间内明文信息被获取的概率(超过安全时效的明文信息被认为可以公开)，从信道层面构筑安全通信体系第一道防线。

与现有技术相比，本发明取得了以下显著效果：

首先，本发明主要应用于通信网络物理层，攻击者从信道上拦截到通信信号后还需进行波形反变换才能获取逻辑信息并进行后续(破译)操作，极大地增加了攻击者窃听明文信息的难度；

其次，本发明可通过量子真随机数同步共享实现通信双方变换波形同步共享，数位量子比特即可实现数十位(或更高)数据比特的隐藏传输，干扰波形复杂程度越高、持续时间越长、单个干扰波形能够隐藏的数据量越大，对量子比特速率需求越低，换言之，固定速率量子分发系统能够支持的安全通信数据量越大；

再次，共享波形库包括但不限于离散信号波形、各频率正余弦波形、三角波形/方波波形/锯齿波形和其它各类不规则波形以及它们的叠加形，波形共享法则包括但不限制一一映射(按定长量子比特序号选择单一波形)、一多映射(按定长量子比特序号选择多个波形进行加权叠加)等，理论上具备无限复杂编译能力；

最后，本发明所述安全通信方案与各类密码可共同运行，即输入安全通信系统的信息可以使明文信息也可以是密文信息，本发明仅仅(基于量子分发波形共享)提供信道层面的安全通信服务，对通信网络上层结构不产生任何影响，亦可高度兼容于现有通信网络架构。

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

1.一种基于量子分发波形共享的安全通信方法，其特征在于所述方法包括：

步骤1.1、发送方和接收方之间由独立地量子信道互联；

步骤1.3、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；

步骤2.1、每3位一组将二进制真随机数序列转换为序号序列；

步骤2.2、按照序号序列从通信双方预先协商的波形库中提取干扰波形；

步骤3.1、发送方将明文信息编译成数字信号；

步骤3.2、通过信号缩放，令数字信号振幅等于离散信号即干扰波形最小单位振幅；

步骤3.3、利用干扰波形对通信信号进行变换操作，即将数字信号叠加于离散信号之上，形成振幅略有变化的离散信号；

步骤4.3、接收方将数字信号还原文明文信息。

2.根据权利要求1所述的基于量子分发波形共享的安全通信方法，其特征在于，所述干扰波形为离散信号或模拟信号或数字信号；干扰波形的时间长度等于整数位比特通信信号时间长度。

3.一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或2所述方法的步骤。