CN114172587B - 基于冗余校验和纠错重传的量子直接通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于冗余校验和纠错重传的量子直接通信方法、系统及存储介质，发送方用数字通信信号调制多波长单光子序列，并将携带信息的多波长单光子序列并纤传输；接收方通过信息处理光路、波分复用器和单光子探测器对多波长单光子序列进行探测，根据探测结果判断线路安全并解析明文信息；接收方利用经典信道将未获取明文信息的时序位置回传给发送方，发送方将对应明文信息重新编码发送；通过多次重复上述过程，最终实现以单光子为信息载体的全部信息传输。本发明通过冗余校验和纠错重传机制，能够有效克服以单光子为信息载体的量子直接通信因为传输损耗而造成的数据丢失，同时兼具量子通信普遍具备的安全等级，为构建实用化量子通信网络提供重要参考。

Description

基于冗余校验和纠错重传的量子直接通信方法

技术领域

本发明属于量子通信学科领域，具体是指一种利用数字通信信号调制多波长单光子序列、通过多波长信号冗余校验获取有效明文信息，通过纠错反馈和反复重传完成全部信息传输的量子直接通信方法及系统，尤其涉及一种对关键数据基于冗余校验和纠错重传的量子直接通信方法、系统及存储介质。

背景技术

量子通信是一种以量子态为信息编码对象的通信技术，通过远端用户量子态同步共享实现信息交互。一方面，决定于海森堡测不准原理、量子不可分离原理和量子不可克隆原理，任何通信链路变化(窃听攻击或环境扰动)都会破坏量子态同步共享机制，这一特性被广泛应用于实现点对点安全通信；另一方面，分布式量子计算和量子传感等应用需要量子态直接传输，只能通过量子通信技术实现。

量子通信技术包括量子保密通信技术和量子直接通信技术，量子保密通信技术主要通过远端用户量子态同步共享机制实现实时密钥分发，通过量子密钥与通信数据的诸位异或实现加解密操作；量子直接通信通过远端用户量子态同步共享机制实现实时数据传输，毋须量子加解密操作。量子直接通信能够消除量子密钥分发的三个潜在安全漏洞：密钥传输泄露、密钥安全管理失当、窃听侦知与信息防护不同步。然而，量子直接通信实现难度高于量子密钥分发，即需要对量子态进行精准编码(而非随机数生成)操作，且在传输损耗影响下数据载体单光子的湮灭会造成数据丢失。

发明内容

针对现有技术，本发明要解决的技术问题是如何利用数字通信信号调制多波长单光子序列，将明文信息同时加载在多波长单光子序列上；接收方根据多波长单光子序列的探测结果判断线路安全、解析明文信息，并通过经典信道向发送方提出纠错反馈和重传申请；通过多次重复上述过程，可实现以单光子为信息载体的量子直接通信。

本发明通过波分复用引入的冗余机制和纠错反馈主导的重传操作，能够有效解决以单光子为信息载体的量子直接通信因为传输损耗而造成的数据丢失问题，是一种可行性较高的量子直接通信方法。

为了达到上述效果，本发明提供的基于冗余校验和纠错重传的量子直接通信方法，由发送方和接收方执行，将明文信息同时加载于多波长单光子序列，通过对多波长通道探测结果的冗余校验解译明文信息，通过纠错申请、反复重传实现全部信息传递。

优选的，上述方法具体包括：

步骤一、波分复用编码，利用数字通信信号调制多波长单光子序列的特定光学自由度，使并纤传输的多波长单光子序列同时携带明文信息；

步骤二、冗余校验解码，通过波分复用器将多波长单光子序列分离至不同光学路径并分别用单光子探测器探测，比较各波长通道探测结果、校验误码率指标判断线路安全、将各波长同步结果解析为明文信息；

步骤三、纠错反馈重传，接收方将未确定的无冗余校验和未获取的无探测结果的时序位置反馈给发送方提出纠错申请，发送方将剩余信息编码重传；

步骤四、重复执行步骤一至三直至最终完成量子直接通信。

优选的，上述方法将明文信息解译成数字通信信号，通过调制器调制多波长单光子序列的某个光学自由度。

优选的，上述携带信息的光学自由度包括但不限于偏振方向、到达时间、相对相位，对应调制器类型分别为偏振调制器、可调谐延迟线、相位调制器。

优选的，上述多波长单光子序列的调制自由度相同或不同；所述多波长单光子序列通过量子光频梳光源产生或通过多套波长不同的单光子源经波分复用和时间同步合束产生，传输信道既可为通信光纤，为大气、海水或其他自由空间介质。

优选的，上述方法通过信息处理光路、波分复用器和单光子探测器探测各波长单光子序列响应，经过时间分析仪整合各波长响应结果。

优选的，上述方法对于特定时序位置，当出现多个波长同时响应且响应结果一致时，此处解译的明文信息即为有效信息，当仅出现一个波长响应或无响应时，此处视为无效信息；判定响应结果一致的波长数量应不少于两个。

优选的，上述接收方将无效信息对应时序位置编译成纠错请求通过经典信道回传给发送方，所述发送方将未送达明文信息重新编码传输；纠错请求格式采用与明文信息等长的二进制码或采用包含时序位置序号的变长二进制码；所述发送方重新发送完整的明文信息或剔除有效信息后发送剩余信息。

一种实现如上述基于冗余校验和纠错重传的量子直接通信方法的系统，包括单光子探测器、时间分析仪、波分复用器、多个调制器、多个光纤、量子光频梳光源，系统还包括：

发送方模块，发送完整的明文信息或剔除有效信息后发送剩余信息；

接收方模块，将无效信息对应时序位置编译成纠错请求通过经典信道回传给发送方，将未送达明文信息重新编码传输；

波分复用编码模块，利用数字通信信号调制多波长单光子序列的特定光学自由度，使并纤传输的多波长单光子序列同时携带明文信息；

冗余校验解码模块，通过波分复用器将多波长单光子序列分离至不同光学路径并分别用单光子探测器探测，比较各波长通道探测结果、校验误码率指标判断线路安全、将各波长同步结果解析为明文信息；

纠错反馈重传模块，纠错请求格式采用与明文信息等长的二进制码或采用包含时序位置序号的变长二进制码。

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，本发明将明文信息同时加载于多波长单光子序列，通过对多波长通道探测结果的冗余校验解译明文信息，通过纠错申请、反复重传等实现全部信息传递，有效地克服了传输损耗致单光子湮灭带来的数据丢失问题和非完美器件引发的噪声干扰问题，在具备量子通信通用安全属性的前提下，避免了量子保密通信方法可能面临的密钥传输泄露、密钥安全管理适当、窃听侦知与信息防护不同步等风险，可为实用化量子通信网络提供重要技术参考。

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示出了本发明基于冗余检验-纠错重传的量子直接通信方法工作流程示意图。

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。

本实施例提供一种基于冗余校验和纠错重传的量子直接通信方法，包括：

S1、波分复用编码，即利用数字通信信号调制多波长单光子序列的特定光学自由度，使并纤传输的多波长单光子序列同时携带明文信息；

S2、冗余校验解码，即通过波分复用器将多波长单光子序列分离至不同光学路径并分别用单光子探测器探测，比较各波长通道探测结果、校验误码率指标判断线路安全、将各波长同步结果解析为明文信息；

S3、纠错反馈重传，即接收方将未确定(无冗余校验)和未获取(无探测结果)的时序位置反馈给发送方提出纠错申请，发送方将剩余信息编码重传，反复执行上述步骤最终完成量子直接通信。

本发明提供一种基于冗余校验和纠错重传的量子直接通信方法的实施例，由发送方和接收方执行，将明文信息同时加载于多波长单光子序列，通过对多波长通道探测结果的冗余校验解译明文信息，通过纠错申请、反复重传实现全部信息传递。

本发明提供一种基于冗余校验和纠错重传的量子直接通信方法的实施例，包括：

S101、波分复用编码，利用数字通信信号调制多波长单光子序列的特定光学自由度，使并纤传输的多波长单光子序列同时携带明文信息；

S102、冗余校验解码，通过波分复用器将多波长单光子序列分离至不同光学路径并分别用单光子探测器探测，比较各波长通道探测结果、校验误码率指标判断线路安全、将各波长同步结果解析为明文信息；

S103、纠错反馈重传，接收方将未确定的无冗余校验和未获取的无探测结果的时序位置反馈给发送方提出纠错申请，发送方将剩余信息编码重传；

S104、重复执行S101至S103直至最终完成量子直接通信。

在一些实施例中，将明文信息解译成数字通信信号，通过调制器调制多波长单光子序列的某个光学自由度。

在一些实施例中，携带信息的光学自由度包括但不限于偏振方向、到达时间、相对相位，对应调制器类型分别为偏振调制器、可调谐延迟线、相位调制器。

在一些实施例中，多波长单光子序列的调制自由度相同或不同；所述多波长单光子序列通过量子光频梳光源产生或通过多套波长不同的单光子源经波分复用和时间同步合束产生，传输信道既可为通信光纤，为大气、海水或其他自由空间介质。

在一些实施例中，通过信息处理光路、波分复用器和单光子探测器探测各波长单光子序列响应，经过时间分析仪整合各波长响应结果。

在一些实施例中，对于特定时序位置，当出现多个波长同时响应且响应结果一致时，此处解译的明文信息即为有效信息，当仅出现一个波长响应或无响应时，此处视为无效信息；判定响应结果一致的波长数量应不少于两个。

在一些实施例中，接收方将无效信息对应时序位置编译成纠错请求通过经典信道回传给发送方，所述发送方将未送达明文信息重新编码传输；纠错请求格式采用与明文信息等长的二进制码或采用包含时序位置序号的变长二进制码；所述发送方重新发送完整的明文信息或剔除有效信息后发送剩余信息。

本发明提供了一种基于冗余校验和纠错重传的量子直接通信系统，包括单光子探测器、时间分析仪、波分复用器、多个调制器、多个光纤、量子光频梳光源，系统还包括：

发送方模块，发送完整的明文信息或剔除有效信息后发送剩余信息；

接收方模块，将无效信息对应时序位置编译成纠错请求通过经典信道回传给发送方，将未送达明文信息重新编码传输；

波分复用编码模块，利用数字通信信号调制多波长单光子序列的特定光学自由度，使并纤传输的多波长单光子序列同时携带明文信息；

冗余校验解码模块，通过波分复用器将多波长单光子序列分离至不同光学路径并分别用单光子探测器探测，比较各波长通道探测结果、校验误码率指标判断线路安全、将各波长同步结果解析为明文信息；

纠错反馈重传模块，纠错请求格式采用与明文信息等长的二进制码或采用包含时序位置序号的变长二进制码

如图1所示，本发明还提供一种基于冗余检验-纠错重传的量子直接通信方法工作流程实施例，包括：

S201、量子光频梳光源可产生多波长单光子序列，每个时序位置都有一个单光子；发送方Alice将明文信息编译而成的数字通信信号经调制器加载在多波长单光子序列中，此时单光子序列某一光学自由度(如偏振方向、相对相位、到达时间等)将同步于数字通信信号的电平分布，如图1所示以单光子高低位置区分；

S202、Alice将多波长单光子序列并纤传输至Bob处，受到传输损耗影响，多波长单光子序列中的部分光子将会湮灭；

S203、Bob接收到多波长单光子序列后，通过波分复用器将各波长单光子序列分离至不同空间路径，通过信息处理光路、单光子探测器和时间分析仪对多波长单光子序列进行分别探测；采用冗余校验的方法解译明文信息，即当且仅当探测到两个以上波长单光子响应且响应结果(光学自由度)完全一致。以图1为例，第1、6时序位置没有单光子响应；第5、8时序位置仅有一个波长单光子响应，则这四个时序位置没有获得有效明文信息；Bob同时需要监测各波长单光子响应频率，如果某一波长单光子响应骤减或各波长单光子响应差异骤增，则传输信道面临安全威胁。

S204、Bob解译出第一次明文信息X100X0XX(利用X占据无效信息时序位置)并将纠错申请通过经典通信信道回传给Alice；纠错申请信息为01110100，即告之Alice需要重传第1、5、7、8时序位置的明文信息。

S205、Alice受到纠错申请后，将待重传明文信息编译而成的数字通信信号经调制器加载在多波长单光子序列中，第二次发送给Bob；在重复执行2、3步骤之后，Bob解译出第二次明文信息0111，通过与第一次明文信息拼接获取最终明文信息01001011；如果在纠错重传后Bob发现仍有无效信息，则继续向Alice发送纠错申请，直到获取全部信息。

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。

本发明还提供一种基于冗余校验和纠错重传的量子直接通信方法的实施例，包括：

S301、发送方利用包含明文信息的数字通信信号调制多波长单光子序列的特定光学自由度，实现明文信息二进制比特→数字通信信号高低电平→多波长单光子序列正交光学自由度的转换；

S302、接收为修正传输损耗致单光子湮灭造成的数据丢失，将多波长单光子序列的探测结果进行冗余校验，其中超过两个波长的一致响应结果解译为明文信息，其余视为误码，传输损耗越小、载波波长越多，单次接收到明文信息比例越高；判定一致响应的临界波长数目越多，单次接收到明文信息比例越少，但可靠性越强；

S303、接收方将无响应和单波长响应对应的时序位置作为纠错请求回传给发送方，发送方将未送达明文信息重新编码传输，反复执行上述步骤直至送达全部明文信息。

本发明还提供了一种基于冗余校验和纠错重传的量子直接通信方法的实施例，将明文信息同时加载于多波长单光子序列，通过对多波长通道探测结果的冗余校验解译明文信息，通过纠错申请、反复重传等实现全部信息传递，有效地克服了传输损耗致单光子湮灭带来的数据丢失问题和非完美器件引发的噪声干扰问题，在具备量子通信通用安全属性的前提下，避免了量子保密通信方法可能面临的密钥传输泄露、密钥安全管理适当、窃听侦知与信息防护不同步等风险，可为实用化量子通信网络提供重要技术参考。

与现有技术相比，本发明将明文信息同时加载于多波长单光子序列，通过对多波长通道探测结果的冗余校验解译明文信息，通过纠错申请、反复重传等实现全部信息传递，有效地克服了传输损耗致单光子湮灭带来的数据丢失问题和非完美器件引发的噪声干扰问题，在具备量子通信通用安全属性的前提下，避免了量子保密通信方法可能面临的密钥传输泄露、密钥安全管理适当、窃听侦知与信息防护不同步等风险，可为实用化量子通信网络提供重要技术参考。

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 (7)

1.一种基于冗余校验和纠错重传的量子直接通信方法，由发送方和接收方执行，其特征在于所述方法将明文信息同时加载于多波长单光子序列，通过对多波长通道探测结果的冗余校验解译明文信息，通过纠错申请，反复重传实现全部信息传递；具体包括：

步骤一、波分复用编码，利用数字通信信号调制多波长单光子序列的特定光学自由度，使并纤传输的多波长单光子序列同时携带明文信息；

步骤二、冗余校验解码，通过波分复用器将多波长单光子序列分离至不同光学路径并分别用单光子探测器探测，比较各波长通道探测结果，校验误码率指标判断线路安全，将各波长同步结果解析为明文信息；

步骤三、纠错反馈重传，接收方将未确定的无冗余校验和未获取的无探测结果的时序位置反馈给发送方提出纠错申请，发送方将剩余信息编码重传；

步骤四、重复执行步骤一至三直至最终完成量子直接通信。

2.根据权利要求1所述的基于冗余校验和纠错重传的量子直接通信方法，其特征在于，所述方法将明文信息解译成数字通信信号，通过调制器调制多波长单光子序列的某个光学自由度。

3.根据权利要求1所述的基于冗余校验和纠错重传的量子直接通信方法，其特征在于，所述携带信息的光学自由度包括但不限于偏振方向、到达时间、相对相位，对应调制器类型分别为偏振调制器、可调谐延迟线、相位调制器。

4.根据权利要求1所述的基于冗余校验和纠错重传的量子直接通信方法，其特征在于，所述方法通过信息处理光路、波分复用器和单光子探测器探测各波长单光子序列响应，经过时间分析仪整合各波长响应结果。

5.根据权利要求1或2所述的基于冗余校验和纠错重传的量子直接通信方法，其特征在于，所述方法对于特定时序位置，当出现多个波长同时响应且响应结果一致时，此处解译的明文信息即为有效信息，当仅出现一个波长响应或无响应时，此处视为无效信息；判定响应结果一致的波长数量应不少于两个。

6.根据权利要求1所述的基于冗余校验和纠错重传的量子直接通信方法，其特征在于，所述接收方将无效信息对应时序位置编译成纠错请求通过经典信道回传给发送方，所述发送方将未送达明文信息重新编码传输；纠错请求格式采用与明文信息等长的二进制码或采用包含时序位置序号的变长二进制码；所述发送方重新发送完整的明文信息或剔除有效信息后发送剩余信息。

7.一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1-6任一项所述方法的步骤。

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