CN114172641A - 探测驱动的双工双向量子加密通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种探测驱动的双工双向量子加密通信方法、系统及存储介质，由发送方和接收方执行，所述发送方和接收方分别制备并向对方发送随机分布的量子态；所述发送方和接收方探测量子态并分别生成真随机数序列；所述发送方和接收方通过经典信道协商交互生成有效量子密钥；所述发送方和接收方将量子探测生成的真随机数序列用于下一组量子态制备。本发明能够直接利用量子信号探测结果生成随机数序列，满足准备‑测量量子密钥分发协议随机数生成需求，规避了传统硬件噪声随机数生成器在捕捉放大电路热噪声、电磁场环境噪声等过程中面临的不确定性风险，有效提升量子态制备真随机水平，大幅精简了量子保密通信系统结构，为提升双工双向量子保密通信系统运行效率奠定重要基础。

Description

探测驱动的双工双向量子加密通信方法

技术领域

本发明属于计算机和量子通信的交叉学科领域，具体是指一种通过量子信号的实时探测生成真随机数序列并驱动控制量子态随机分发的双工双向量子保密通信方法，尤其涉及一种对关键数据探测驱动的双工双向量子加密通信方法、系统及存储介质。

背景技术

量子保密通信技术结合了量子密钥分发技术和经典通信技术，在“一次一密”工作模式下有望实现信道层面的安全防护；其中，量子密钥分发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，其核心是为通信双方提供量子真随机数同步共享机制，且能够实现通信链路变化(无论是窃听攻击还是环境扰动)的实时感知。

量子密钥分发协议中相对较为成熟的是准备-测量量子密钥分发协议，其基本原理为：发送方Alice制备量子态并通过量子信道传递给接收方Bob；Bob探测量子态后通过经典信道与Alice交互测量过程；通信双方协商确定Alice到Bob通信过程所需量子密钥。Alice制备随机分布的量子态时需要用到随机数生成器，传统的硬件噪声随机数生成器需要捕捉放大电路热噪声、电磁场环境噪声等，随机数生成速率较慢且具有高度的不确定性(硬件用户行为、电磁环境变化)。

发明内容

针对现有技术，本发明要解决的技术问题是如何通信双方分别制备并向对方发送随机分布的量子态；通信双方探测量子态并分别生成真随机数序列；通信双方通过信道协商交互生成有效量子密钥；通信双方将量子探测生成的真随机数序列用于下一组量子态制备。

为了达到上述效果，本发明提供的探测驱动的双工双向量子加密通信方法，由发送方和接收方执行，所述发送方和接收方分别制备并向对方发送随机分布的量子态；所述发送方和接收方探测量子态并分别生成真随机数序列；所述发送方和接收方通过经典信道协商交互生成有效量子密钥；所述发送方和接收方将量子探测生成的真随机数序列用于下一组量子态制备。

优选的，上述方法具体包括：

步骤一、探测驱动机制建立，通信双方利用已有随机数制备并向对方发送一组量子态，通信双方探测量子信号并分别生成真随机数序列，通信双方利用探测生成的真随机数替代已有随机数，执行后续量子密钥分发过程；

步骤二、量子密钥分发，通信双方通过信道协商交互确定有效量子密钥；

步骤三、量子加密与量子解密，通信双方将量子密钥和明文信息单次解密的方式异或运算，实现双工双向量子保密通信。

优选的，对携带有量子态信息的单光子序列等进行探测，可根据特定时序位置是否产生探测响应生成随机数序列，也可利用未经协商的量子态探测结果生成随机数序列。

优选的，可根据单一量子信道、单路单光子探测器探测结果生成随机数序列，也可根据多个量子信道、多路单光子探测器探测结果生成随机数序列。

优选的，上述发送方和接收方通信双方拥有相同的通信设备；通信双方共享量子信道和经典信道；通信双方可以同时进行双向信息传输；可以通过已有随机数驱动量子密钥分发、运行一段时间后进入探测驱动工作模式、实现双工双向量子保密通信的稳定运行。

优选的，上述通信双方之间由独立的量子信道互联。

优选的，上述通信双方共享信息满足不可克隆要求和不可复制要求。

优选的，上述通信双方通过协商交互和信息后处理可获得有效量子密钥。

一种实现上述探测驱动的双工双向量子加密通信方法的系统，包括量子光源、单光子探测器，还包括：

发送方模块和接收方模块，通信双方利用已有随机数制备并向对方发送一组量子态，通信双方探测量子信号并分别生成真随机数序列，通信双方利用探测生成的真随机数替代已有随机数，执行后续量子密钥分发过程；

探测驱动机制建立模块，实现通信双方利用已有随机数制备并向对方发送一组量子态，通信双方探测量子信号并分别生成真随机数序列，通信双方利用探测生成的真随机数替代已有随机数，执行后续量子密钥分发过程；

量子分发模块，通信双方通过经典信道协商交互确定有效量子密钥；

量子加密与量子解密模块，实现通信双方将量子密钥和明文信息进行单次解密的方式异或运算，实现双工双向量子保密通信。

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，本发明能够将弃之不用的量子探测噪声和量子比特误码重新利用为量子态制备所需随机数生成器，为简化量子密钥分发系统结构、提升量子态制备真随机水平、提升双工双向量子保密通信系统运行效率奠定重要基础。

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示出了本发明探测驱动双工双向量子保密通信工作流程示意图。

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。

本实施例提供一种探测驱动的双工双向量子加密通信方法，包括：

S1、探测驱动机制建立，通信双方利用已有随机数制备并向对方发送一组量子态，通信双方探测量子信号并分别生成真随机数序列，通信双方利用探测生成的真随机数替代已有随机数，执行后续量子密钥分发过程(多次启动后，已有随机数也可是上一次未使用的量子真随机数)；

S2、量子密钥分发，通信双方通过经典信道协商交互确定有效量子密钥；

S3、量子加密与量子解密，通信双方将量子密钥和明文信息按“一次一密”方式异或，实现双工双向量子保密通信。

本发明提供一种探测驱动的双工双向量子加密通信方法的实施例，Alice利用已有随机数制备并向Bob发送一组量子态；Bob探测量子态并生成真随机数序列，通过信道与Alice交互生成有效量子密钥，利用探测生成的原始真随机数制备并向Alice发送一组量子态；Alice探测量子态并生成真随机数序列，通过经典信道与Bob交互生成有效量子密钥，利用探测生成的原始真随机数代替已有随机数制备并向Bob发送下一组量子态；此时，双工双向量子保密通信始由量子探测驱动。

本发明提供一种探测驱动的双工双向量子加密通信方法的实施例，包括：

S101、通信双方建立探测驱动机制，发送方利用量子光源生成单光子序列、从随机数存储池内调用随机数、控制单光子序列的某一光学自由度、制备随机分布量子态、通过量子信道传输给接收方；接收方利用单光子探测器探测量子信号并根据计数响应生成随机数序列存入随机数存储池；通信双方反复执行上述步骤，直至通信双方随机数存储池内存储的随机数全部由量子探测生成；

S102、通信双方解译量子态探测结果、利用经典通信系统完成协商纠错、生成有效量子密钥；

S103、通信双方利用有效量子密钥与经典明文信息做“一次一密”异或运算，即可实现双工双向量子保密通信。

本发明还提供一种实现探测驱动的双工双向量子加密通信方法的实施例，由发送方和接收方执行，所述发送方和接收方分别制备并向对方发送随机分布的量子态；所述发送方和接收方探测量子态并分别生成真随机数序列；所述发送方和接收方通过经典信道协商交互生成有效量子密钥；所述发送方和接收方将量子探测生成的真随机数序列用于下一组量子态制备。

如图1所示，本发明还提供一种探测驱动双工双向量子保密通信方法的实施例，具体工作流程如下：

S201、Alice从随机数存储池中调用16位随机数0100011101001011(虚线框表示已有随机数)并对量子光源生成的单光子序列(以黑色实心点表示)进行量子态编译(以高低位置表示)；

S202、携带有量子态信息的单光子序列经量子信道传输，受传输损耗影响部分光子将会湮灭(以空心点表示)；另一方面，受环境扰动、探测噪声等因素影响部分湮灭光子对应的时序位置将产生错误的探测响应(以灰色实心点表示)；

S203、Bob利用单光子探测器探测量子信号，根据时序位置是否响应生成随机数并存入随机数存储池；同时，Bob从随机数存储池调用16位随机数0101101001011101(此处为探测生成的随机数)并对量子光源生成的单光子序列进行量子态编译；

S204、Alice通过量子信道接收到Bob发来的携有量子态信息的单光子序列，根据时序位置是否响应生成随机数并存入随机数存储池；下一次Alice制备量子态时，即调用此处生成的16为随机数0101101001011101；

S205、Bob根据量子态探测结果(而非时序响应)和通过经典信道与Alice协商纠错的交互结果，生成有效量子密钥10011001并与Bob发往Alice的明文信息做“一次一密”异或运算；Alice根据量子态探测结果和协商纠错结果，生成有效量子密钥10101101并与Alice发往Bob的明文信息做“一次一密”异或运算，至此实现探测驱动的双工双向量子保密通信。

本发明还提供一种探测驱动的双工双向量子加密通信方法的实施例，由发送方和接收方执行，包括：

S301、探测驱动机制建立，即通信双方利用已有随机数制备并向对方发送一组量子态，通信双方探测量子信号并分别生成真随机数序列，通信双方利用探测生成的真随机数替代已有随机数，执行后续量子密钥分发过程(多次启动后，已有随机数也可是上一次未使用的量子真随机数)；

S302、量子密钥分发，即通信双方通过经典信道协商交互确定有效量子密钥；

S303、量子加密与量子解密，即通信双方将量子密钥和明文信息按“一次一密”方式异或，实现双工双向量子保密通信。

本发明还提供了一种探测驱动的双工双向量子加密通信方法的实施例，通信双方分别制备并向对方发送随机分布的量子态；通信双方探测量子态并分别生成真随机数序列；通信双方通过经典信道协商交互生成有效量子密钥；通信双方将量子探测生成的真随机数序列用于下一组量子态制备。

本发明还提供了一种探测驱动的双工双向量子加密通信方法的实施例，量子保密通信可由量子密钥分发系统实现，通信双方之间由独立的量子信道互联；通信双方共享信息满足不可克隆要求和不可复制要求；通信双方通过协商交互和信息后处理可获得有效量子密钥。量子密钥分发协议包括但不限于BB84协议、COW协议、DPS协议、DPTS协议、等；信息载体包括但不限于光量子(理想单光子和弱相干脉冲)、自旋电子等，量子信道包括但不限于光纤、电缆、自由空间等，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，探测生成的随机数序列，利用单光子探测器等设备对携带有量子态信息的单光子序列等进行探测，可根据特定时序位置是否产生探测响应生成随机数序列，也可利用未经协商的量子态探测结果生成随机数序列；可根据单一量子信道、单路单光子探测器探测结果生成随机数序列，也可根据多个量子信道、多路单光子探测器探测结果生成随机数序列；维持随机数序列二值概率相同的方法包括但不限于改变时序周期、人为引入量子噪声等；随机数序列可随产随用，也可扩码存储、按需调用；探测驱动随机数生成器可独立使用，也可同其他随机数生成器混合使用；随机数存储池内存储的已有随机数可以由其他随机数生成器生成，也可以是上一次量子信号探测生成的随机数。

在一些实施例中，双工双向量子保密通信方法，通信双方拥有相同的通信设备，包括但不限于经典通信收发模块、量子光源、量子态制备光路、随机数存储池等；通信双方共享量子信道和经典信道；通信双方可以同时(瞬时)进行双向信息传输；可以通过已有随机数驱动量子密钥分发、运行一段时间后进入探测驱动工作模式、实现双工双向量子保密通信的稳定运行。

本发明还提供了一种探测驱动的双工双向量子加密通信系统，包括量子光源、单光子探测器，还包括：

发送方模块和接收方模块，通信双方利用已有随机数制备并向对方发送一组量子态，通信双方探测量子信号并分别生成真随机数序列，通信双方利用探测生成的真随机数替代已有随机数，执行后续量子密钥分发过程；

探测驱动机制建立模块，实现通信双方利用已有随机数制备并向对方发送一组量子态，通信双方探测量子信号并分别生成真随机数序列，通信双方利用探测生成的真随机数替代已有随机数，执行后续量子密钥分发过程；

量子分发模块，通信双方通过经典信道协商交互确定有效量子密钥；

量子加密与量子解密模块，实现通信双方将量子密钥和明文信息进行单次解密的方式异或运算，实现双工双向量子保密通信。

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。

与现有技术相比，本发明能够直接利用量子信号探测结果生成随机数序列，满足准备-测量量子密钥分发协议随机数生成需求，规避了传统硬件噪声随机数生成器在捕捉放大电路热噪声、电磁场环境噪声等过程中面临的不确定性风险，有效提升量子态制备真随机水平，大幅精简了量子保密通信系统结构，为提升双工双向量子保密通信系统运行效率奠定重要基础。

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)

1.一种探测驱动的双工双向量子加密通信方法，由发送方和接收方执行，所述发送方和接收方分别制备并向对方发送随机分布的量子态；所述发送方和接收方探测量子态并分别生成真随机数序列；所述发送方和接收方通过经典信道协商交互生成有效量子密钥；所述发送方和接收方将量子探测生成的真随机数序列用于下一组量子态制备。

2.根据权利要求1所述的探测驱动的双工双向量子加密通信方法，其特征在于，所述方法具体包括：

步骤一、探测驱动机制建立，通信双方利用已有随机数制备并向对方发送一组量子态，通信双方探测量子信号并分别生成真随机数序列，通信双方利用探测生成的真随机数替代已有随机数，执行后续量子密钥分发过程；

步骤二、量子密钥分发，通信双方通过信道协商交互确定有效量子密钥；

步骤三、量子加密与量子解密，通信双方将量子密钥和明文信息单次解密的方式异或运算，实现双工双向量子保密通信。

3.根据权利要求1或2所述的探测驱动的双工双向量子加密通信方法，其特征在于，对携带有量子态信息的单光子序列等进行探测，可根据特定时序位置是否产生探测响应生成随机数序列，也可利用未经协商的量子态探测结果生成随机数序列。

4.根据权利要求3所述的探测驱动的双工双向量子加密通信方法，其特征在于，可根据单一量子信道、单路单光子探测器探测结果生成随机数序列，也可根据多个量子信道、多路单光子探测器探测结果生成随机数序列。

5.根据权利要求1或2所述的探测驱动的双工双向量子加密通信方法，其特征在于，所述发送方和接收方通信双方拥有相同的通信设备；通信双方共享量子信道和经典信道；通信双方可以同时进行双向信息传输；可以通过已有随机数驱动量子密钥分发、运行一段时间后进入探测驱动工作模式、实现双工双向量子保密通信的稳定运行。

6.根据权利要求1或2所述的探测驱动的双工双向量子加密通信方法，其特征在于，所述通信双方之间由独立的量子信道互联。

7.根据权利要求1或2所述的探测驱动的双工双向量子加密通信方法，其特征在于，所述通信双方共享信息满足不可克隆要求和不可复制要求。

8.根据权利要求1所述的探测驱动的双工双向量子加密通信方法，其特征在于，所述通信双方通过协商交互和信息后处理可获得有效量子密钥。

9.一种实现如权利要求1-8所述探测驱动的双工双向量子加密通信方法的系统，包括量子光源、单光子探测器，其特征在于所述系统还包括：

发送方模块和接收方模块，通信双方利用已有随机数制备并向对方发送一组量子态，通信双方探测量子信号并分别生成真随机数序列，通信双方利用探测生成的真随机数替代已有随机数，执行后续量子密钥分发过程；

探测驱动机制建立模块，实现通信双方利用已有随机数制备并向对方发送一组量子态，通信双方探测量子信号并分别生成真随机数序列，通信双方利用探测生成的真随机数替代已有随机数，执行后续量子密钥分发过程；

量子分发模块，通信双方通过经典信道协商交互确定有效量子密钥；

量子加密与量子解密模块，实现通信双方将量子密钥和明文信息进行单次解密的方式异或运算，实现双工双向量子保密通信。

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任一项所述方法的步骤。

Images