CN114244507A - 基于单路传输的量子直接通信方法、装置、设备和系统 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种基于单路传输的量子直接通信方法、装置、设备和系统，发送方对待传输消息进行纠错抗损编码，获得待传输消息对应的码字；然后，采用与接收方协商后的加密密钥对码字进行加密处理，获得码字对应的密文消息；进一步地，将密文消息编码到量子态上，并将获得的量子态信息通过量子信道发送至接收方。采用上述方法发送方通过单路量子传输可以使得接收方接收到确定的信息，避免量子态双路传输导致的损耗大，从而提升了量子通信的传输距离；不需要采用量子态块传输，解决了量子态块传输中无法对量子态进行储存的痛点，降低了通信系统的复杂程度。
Description
技术领域
本申请涉及量子通信技术领域，特别是涉及一种基于单路传输的量子直接通信方法、装置、设备和系统。
背景技术
量子通信因其通信过程具备高度的安全性受到广泛关注。目前量子通信的研究主要集中在三大热门方向，包括：量子直接通信(quantum secure direct communication，简称QSDC)、量子密钥分发(quantum key distribution，简称QKD)、量子秘密共享(quantumsecret sharing，简称QSS)。其中，量子密钥分发和量子秘密共享通过量子信道传输密钥，并通过经典数据传输通道传输加密数据；而量子直接通信则直接在量子信道中传输保密信息。
为了保障数据传输安全，量子直接通信中可以使用双路传输的方法。Bob先制备一批量子态，并通过量子信道传输给Alice。Alice随机抽取其中部分量子态进行窃听检测。Alice在窃听检测结果表征量子信道安全的情况下，将待传输消息进行编码后通过其余的量子态发送给Bob。
上述双路传输方法导致量子直接通信中的量子态损耗较大，传输距离短。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够提升量子直接通信的传输距离的基于单路传输的量子直接通信方法、装置、设备和系统。
第一方面，本申请提供了一种基于单路传输的量子直接通信方法，应用于量子通信系统中的发送方，方法包括：
对待传输消息进行纠错抗损编码，获得待传输消息对应的码字；
采用与接收方协商后的加密密钥对码字进行加密处理，获得码字对应的密文消息；
将密文消息编码到量子态上，并将获得的量子态信息通过量子信道发送至接收方。
在其中一个实施例中，将密文消息编码到量子态上之前，还包括：
采用本地随机数对密文消息进行掩码处理，获得密文消息对应的待传码字；本地随机数与密文消息长度相等；
相应地，将密文消息编码到量子态上，并将获得的量子态信息通过量子信道发送至接收方，包括：
将待传码字编码到量子态上，并将获得的量子态信息通过量子信道发送至接收方。
在其中一个实施例中，将获得的量子态信息通过量子信道发送至接收方之后，还包括：
获取接收方公布的触发位时序位置；触发位时序位置为接收方对量子信道传输的量子态进行测量，获得量子态信息的时序位置；
确定触发位时序位置中的目标时序位置；目标时序位置为发送方对待传码字进行编码与接收方接收测量量子态信息时采用的基矢相同的时序位置；
基于目标时序位置对量子信道进行窃听检测。
在其中一个实施例中，基于目标时序位置对量子信道进行窃听检测，包括：
获取接收方公布的目标时序位置中部分时序位置对应的解码结果；
将部分时序位置的待传输比特与部分时序位置的解码结果进行比较，统计量子信道的误码率；
若误码率大于预设阈值，则确定量子信道窃听检测不通过；
若误码率小于预设阈值，则确定量子信道窃听检测通过。
在其中一个实施例中，确定触发位时序位置中的目标时序位置，包括：
获取接收方公布的接收触发位时序位置对应的量子态信息时采用的第一基矢；
将对触发位时序位置对应的待传码字进行编码时采用的第二基矢与第一基矢进行比较；
将基矢比较结果相同的时序位置，确定为目标时序位置。
在其中一个实施例中，窃听检测通过之后，方法还包括：
向接收方公布本地随机数中与触发位时序位置对应的子随机数；子随机数用于接收方对触发位时序位置对应的解码结果进行解掩码处理。
在其中一个实施例中，采用与接收方协商后的加密密钥对码字进行加密处理，获得码字对应的密文消息，包括：
在预设的密钥池中提取与码字等长的加密密钥，对码字进行一次一密加密处理。
在其中一个实施例中，方法还包括：
将加密密钥中，除触发位时序位置之外的其余非触发位时序位置对应的用于加密所述纠错抗损编码码字的加密密钥返回至密钥池。
在其中一个实施例中，方法还包括：
将目标时序位置对应的密文消息输入预设的密钥生成算法，获得补充密钥；
将补充密钥添加至预设的密钥池中。
在其中一个实施例中，对待传输消息进行纠错抗损编码，获得待传输消息对应的码字，包括：
采用预设纠错算法对待传输消息进行纠错编码处理；
对纠错编码处理后的待传输消息进行扩频处理，获得待传输消息对应对的码字。
第二方面，一种基于单路传输的量子直接通信方法，应用于量子通信系统中的接收方，方法包括：
接收发送方通过量子信道发送的量子态信息；量子态信息为发送方对待传输消息进行纠错抗损编码、加密后编码到量子态上的信息；
对量子态信息进行解码，获得解码结果；
采用与接收方协商后的加密密钥对解码结果进行解密处理，获得解码结果对应的解密消息；
对解密信息进行与纠错抗损编码对应的译码处理，获得解密信息对应的传输消息。
在其中一个实施例中，上述接收发送方通过量子信道发送的量子态信息，包括：
根据预设时间窗口对量子信道传输的量子态进行测量，获得量子态信息。
在其中一个实施例中，上述量子态信息为发送方采用本地随机数对待传输消息进行掩码处理后编码到量子态上的，上述方法还包括：
获取发送方返回的触发位时序位置对应的子随机数；子随机数为发送方在本地随机数中确定的触发位时序位置对应的部分数值；触发位时序位置为探测到所述量子态信息对应的时序位置；
采用子随机数对触发位时序位置对应的解码结果进行解掩码处理。
在其中一个实施例中，上述方法还包括：
对目标时序位置对应的解码结果进行复制，获得初始码；所述目标时序位置为发送方对待传码字进行编码与接收方接收测量量子态信息时采用的基矢相同的时序位置；
将初始码输入预设的密钥生成算法，获得补充密钥；
将补充密钥添加至预设的密钥池中。
第三方面，本申请还提供了一种基于单路传输的量子直接通信装置，应用于量子通信系统中的发送方，装置包括：
第一编码模块，用于对待传输消息进行纠错抗损编码，获得待传输消息对应的码字；
加密模块，用于采用与接收方协商后的加密密钥对码字进行加密处理，获得码字对应的密文消息；
第二编码模块，用于将密文消息编码到量子态上，并将获得的量子态信息通过量子信道发送至接收方。
第四方面，本申请还提供了一种基于单路传输的量子直接通信装置，应用于量子通信系统中的接收方，装置包括：
接收模块，用于接收发送方通过量子信道发送的量子态信息；量子态信息为发送方对待传输消息进行纠错抗损编码、加密后编码到量子态上的信息；
解码模块，用于对量子态信息进行解码，获得解码结果；
解密模块，用于采用与接收方协商后的加密密钥对解码结果进行解密处理，获得解码结果对应的解密消息；
译码模块，用于对解密信息进行与纠错抗损编码对应的译码处理，获得解密信息对应的传输消息。
第五方面，本申请还提供了一种通信设备。发送设备包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述第一方面的方法的步骤。
第六方面，本申请还提供了一种通信设备。发送设备包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述第二方面的方法的步骤。
第七方面，一种量子通信系统，包括发送设备和接收设备，上述发送设备为第五方面中的通信设备，上述接收设备为第六方面中的通信设备。
上述基于单路传输的量子直接通信方法、装置、设备和系统，发送方对待传输消息进行纠错抗损编码，获得待传输消息对应的码字；然后，采用与接收方协商后的加密密钥对码字进行加密处理，获得码字对应的密文消息；进一步地，将密文消息编码到量子态上，并将获得的量子态信息通过量子信道发送至接收方。由于发送方对待传输消息进行纠错抗损编码，使得接收方接收到的消息具有纠错抗损的能力，发送方通过单路量子传输可以使得接收方接收到确定的信息，避免量子态双路传输导致的损耗大，从而提升了量子通信的传输距离；进一步地，发送方采用与接收方协商后的加密密钥对纠错抗损编码后的码字进行加密处理，即使不采用量子态块传输也不会导致信息泄露，解决了量子态块传输中无法对量子态进行保存的痛点，降低了通信系统的复杂程度；另外，发送方与接收方可以通过量子信道进行密钥协商，使得发送方与接收方可以通过一个量子信道完成加密密钥和待传输消息的传输，保障了数据传输安全。
附图说明
图1为一个实施例中基于单路传输的量子直接通信方法的应用环境图；
图2为一个实施例中基于单路传输的量子直接通信方法的流程示意图；
图3为一个实施例中基于单路传输的量子直接通信方法的流程示意图；
图4为一个实施例中基于单路传输的量子直接通信方法的流程示意图；
图5为一个实施例中基于单路传输的量子直接通信方法的流程示意图；
图6为一个实施例中基于单路传输的量子直接通信方法的流程示意图；
图7为一个实施例中基于单路传输的量子直接通信方法的流程示意图；
图8为一个实施例中基于单路传输的量子直接通信方法的示意图；
图9为一个实施例中基于单路传输的量子直接通信装置的结构框图；
图10为一个实施例中基于单路传输的量子直接通信装置的结构框图；
图11为一个实施例中基于单路传输的量子直接通信装置的结构框图；
图12为一个实施例中基于单路传输的量子直接通信装置的结构框图；
图13为一个实施例中基于单路传输的量子直接通信装置的结构框图；
图14为一个实施例中基于单路传输的量子直接通信装置的结构框图；
图15为一个实施例中基于单路传输的量子直接通信装置的结构框图；
图16为一个实施例中基于单路传输的量子直接通信装置的结构框图；
图17为一个实施例中基于单路传输的量子直接通信装置的结构框图；
图18为一个实施例中电子设备的内部结构图；
图19为一个实施例中量子通信系统的结构示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本申请实施例提供的基于单路传输的量子直接通信方法，可以应用于如图1所示的应用环境中。上述应用环境中可以包括用户端Alice100和用户端Bob200，上述用户端Alice100和用户端Bob200可以用于产生、发送和接收量子态信息。上述用户端Alice100和用户端Bob200可以作为发送方，也可以作为接收方。上述用户端Alice100和用户端Bob200可以进行量子直接通信，用户端Alice100发送的量子态信息可以直接被用户端Bob200接收，也可以通过中继端被用户端Bob200接收，在此不做限定。
在一个实施例中，如图2所示，提供了一种基于单路传输的量子直接通信方法，以该方法应用于图1中的发送方为例进行说明，包括：
S101、对待传输消息进行纠错抗损编码，获得待传输消息对应的码字。
其中，上述待传输消息可以是发送方待发送至接收方的明文消息，上述待传输消息可以包括文本数据，也可以包括视频数据，还可以包括控制指令等，在此不做限定。
发送方可以对待传输消息进行纠错抗损编码，使得接收方接收到的码字可以具有纠错抗损能力，在传输过程中出现漏码、错码的情况下，可以获得发送方发送的消息。上述码字的纠错抗损能力与编码冗余度相关。上述纠错抗损编码可以对待传输消息进行冗余备份，也可以通过循环、校验等方式进行编码，在此不做限定。可选地，发送方可以采用预设纠错算法对待传输消息进行纠错编码处理；然后对纠错编码处理后的待传输消息进行扩频处理，获得待传输消息对应对的码字。
S102、采用与接收方协商后的加密密钥对码字进行加密处理，获得码字对应的密文消息。
在上述步骤的基础上，发送方可以采用与接收方协商后的加密密钥对码字进行加密处理。上述加密处理的方式可以是经典密码，也可以是后量子密码等，对于上述加密处理方式在此不做限定。可选地，发送方可以在预设的密钥池中提取与码字等长的加密密钥，对码字进行一次一密加密处理。上述一次一密加密处理的方式可以是指，对于码字中的不同字符采用不同的加密字符进行加密。
上述加密密钥可以是发送方与接收方进行密钥协商后确定的。发送方和接收方可以在发送待传输消息之前，完成上述密钥协商。发送方和接收方可以通过一次密钥协商确定一个或多个待传输消息对应的加密密钥。发送方与接收方进行密钥协商的过程，可以通过量子信道完成，例如在上一消息传输过程中的空闲时序上，对下一待传输消息的加密密钥进行协商。
S103、将密文消息编码到量子态上，并将获得的量子态信息通过量子信道发送至接收方。
发送方获取加密后的密文消息之后，可以将密文消息编码到量子态上，获得量子态消息。上述量子态信息的载体可以是单光子，也可以是量子纠缠态的其他资源，在此不做限定。
具体地，发送方可以针对密文消息中的每个字符，随机选择一种基矢量对该字符进行编码，转换成量子态信息。上述编码可以基于量子通信协议，上述，量子通信协议可以包括：BB84量子密钥分发协议、六态量子密钥分发协议、COW量子密钥分发协议、与测量设备无关的量子密钥分发协议、设备无关量子密钥分发协议等等。
以BB84协议为例，发送方Alice可以将码字分成若干帧；在每一帧消息中，针对每个字符随机选择基矢，可以是Z基或者X基；进一步地，根据选择的基矢制备该字符对应的量子态。以BB84协议为例，可以将字符0编码为水平偏振态或-45度偏振态，将码字中的字符1编码为竖直偏振态或﹢45度偏振态，如下表所示。
进一步地，发送方获得密文消息对应的量子态信息之后，可以通过量子信道将上述量子态信息发送至接收方。
上述基于单路传输的量子直接通信方法，发送方对待传输消息进行纠错抗损编码，获得待传输消息对应的码字；然后，采用与接收方协商后的加密密钥对码字进行加密处理，获得码字对应的密文消息；进一步地，将密文消息编码到量子态上，并将获得的量子态信息通过量子信道发送至接收方。由于发送方对待传输消息进行纠错抗损编码，使得接收方接收到的消息具有纠错抗损的能力，发送方通过单路量子传输可以使得接收方接收到确定的信息，避免量子态双路传输导致的损耗大，从而提升了量子通信的传输距离；进一步地，发送方采用与接收方协商后的加密密钥对纠错抗损编码后的码字进行加密处理，不需要在编码明文信息前随机抽取量子态进行信道窃听检测，因而不需要采用量子态块传输，解决了量子态块传输中无法对量子态进行保存的痛点，降低了通信系统的复杂程度；另外，发送方与接收方可以通过量子信道进行密钥协商，使得发送方与接收方可以通过一个量子信道完成加密密钥和待传输消息的传输，保障了数据传输安全。
在一个实施例中，在上述实施例的基础上，发送方将密文消息编码到量子态上之前，还可以采用本地随机数对密文消息进行掩码处理，获得密文消息对应的待传码字。其中，上述本地随机数与密文消息长度相等。
上述掩码处理可以采用基于掩盖的容量扩大(increase capacity usingmasking，简称INCUM)技术。发送方可以根据密文消息的长度随机生成一串本地随机数，密文消息中每个字符与本地随机数中一个位数对应。发送方可以将密文消息与本地随机数进行异或处理，得到待传码字。
例如，Alice需要传输一段密文消息a＝101010，她先使用与之等长完全随机的一串本地随机数b＝110100对密文消息进行异或处理，得到掩盖后的待传码字
进一步地，发送方可以将待传码字编码到量子态上，并将获得的量子态信息通过量子信道发送至接收方。继续以上述密文消息为例，Alice可以将待传码字d编码到量子态上，通过量子信道传输至接收方Bob。
上述基于单路传输的量子直接通信方法，发送方对密文消息进行掩码处理，相当于对密文消息进行二次编码，避免密文消息暴露，进一步提升了量子信道的传输安全，使得窃听者无法从传输过程中丢失的量子态上获取有用信息。
图3为另一个实施例中基于单路传输的量子直接通信方法的流程示意图，本实施例涉及发送方对量子信道进行窃听检测的一种方式，在上述实施例的基础上，如图3所示，上述S103之后，还包括：
S201、获取接收方公布的触发位时序位置；触发位时序位置为接收方对量子信道传送的量子态进行测量，获得量子态信息的时序位置。
接收方可以对量子信道进行测量，接收量子态信息。接收方可以根据预设时间窗口对量子信道传送的量子态进行测量。在每个时间窗口中，接收方可以随机选择一个基矢接收量子态信息，若接收到量子态信息则将该时间窗口对应的时间序列标记为触发位，若未接收到量子态信息，则将该时间窗口对应的时间序列标记为非触发位。
以S103中的编码过程为例，接收方Bob的解码过程可以如下：
S202、确定触发位时序位置中的目标时序位置；目标时序位置为发送方对待传码字进行编码与接收方接收测量量子态信息时采用的基矢相同的时序位置。
对于同一个比特位，发送方与接收方使用的基矢相同的情况下，接收方可以获得正确的解码结果；若发送方与接收方使用的基矢不同，则接收方解码后获得的解码结果与发送方发送的信息不符。
上述发送方与接收方采用的基矢相同的时序位置，可以为目标时序位置。上述目标时序位置可以由发送方确定，也可以由接收方确定，在此不做限定。
在一种实现方式中，发送方可以公开对触发位时序位置的待传码字进行编码时采用的基矢，接收方可以根据发送方公开的基矢与接收方接收量子态信息时采用的基矢进行逐位比较，将采用基矢相同的时序位置确定为目标时序位置。可选地，发送方可以获取接收方公布的接收触发位时序位置对应的量子态信息时采用的第一基矢；并将对触发位时序位置对应的待传码字进行编码时采用的第二基矢与第一基矢进行比较；将基矢比较结果相同的时序位置，确定为目标时序位置。
S203、基于目标时序位置对量子信道进行窃听检测。
在上述步骤的基础上，发送方可以确定目标时序位置对应的待传码字可以被接收方接收。发送方可以根据目标时序位置对应的待传码字的接收结果，确定量子信道是否被窃听。若量子信道被窃听，则窃听动作会影响量子态信息的状态，接收方接收到的信息误码率较高。发送方可以根据目标时序位置的统计误码率，确定量子信道是否被监听。
上述基于单路传输的量子直接通信方法，发送方通过对量子信道进行窃听检测，可以在量子信道安全的情况下完成信息传输，保障了数据传输安全。
图4为一个实施例中基于单路传输的量子直接通信方法的流程示意图，本实施例涉及发送方对量子信道进行窃听检测的一种实现方式，在上述实施例的基础上，如图4所示，上述S203包括：
S301、获取接收方公布的目标时序位置中部分时序位置对应的解码结果。
接收方获取目标时序位置的解码结果之后，可以在该解码结果中随机抽取部分时序位置对应的解码结果，以统计量子信道的误码率。接收方可以通过经典传输信道将部分结果结果发送至发送方。
S302、将部分时序位置的待传输比特与部分时序位置的解码结果进行比较，统计量子信道的误码率。
发送方可以将该部分解码结果与其对应的待传码字进行对比，确定接收方是否解码正确。发送方可以计算接收到的部分解码结果中，解码正确的比特数与接收到的解码结果的比特数之间的比值，获得量子信道的误码率。
S303、若误码率大于预设阈值，则确定量子信道窃听检测不通过。
若发送方获得的误码率大于预设阈值，发送方可以认为量子信道被窃听，确定窃听检测不通过。
S304、若误码率小于预设阈值，则确定量子信道窃听检测通过。
若发送方获得的误码率小于预设阈值，发送方可以认为量子信道可能未被窃听，确定窃听检测通过。
需要说明的是，上述窃听检测可以是发送方进行检测，也可以是接收方进行检测，还可以是发送方和接收方共同检测，在此不做限定。
例如，发送方可以将目标时序位置中部分时序位置的待传码字通过经典信道向接收方公布，使得接收方可以计算部分时序位置的解码结果中，解码正确的比特数与接收到的解码结果的比特数之间的比值，获得量子信道的误码率。
在窃听检测结果通过的情况下，发送方可以继续向接收方发送消息。在窃听检测结果不通过的情况下，发送方可以放弃当前传输的待传输消息，可以选择另一个量子信道重新传输，也可以选择在当前量子信道上重复传输该消息。
在确定窃听检测结果通过的基础上，发送方可以向接收方公布本地随机数中触发位时序位置对应的子随机数。其中，上述子随机数用于接收方对触发位时序位置对应的解码结果进行解掩码处理。
例如，Alice需要传输一段密文消息a＝101010，她先使用与之等长完全随机的一串本地随机数b＝110100对密文消息进行异或处理，得到掩盖后的待传码字d＝b⊕a＝011110。若Bob接收到上述时序位置中前5位；发送方可以将本地随机数中第1-5位对应的数值形成子随机数，发送给Bob。Bob接收到随机字数为11010，然后采用该子随机数对触发位时序位置对应的解码结果进行解掩码处理。
发送方对密文信息进行掩码处理时，可以将密文信息和本地随机数进行异或处理；相应地，接收方可以将子随机数与触发位时序位置的解码结果进行异或处理的反处理。
上述基于单路传输的量子直接通信方法，发送方通过公布目标时序位置中部分目标时序位置的待传码字，从而可以通过已传输数据中的部分数据获得量子信道的误码率，而不需要在数据传输之前通过块传输进行信道窃听检测，不需要量子存储器，提高了量子通信的实用性。
在一个实施例中，在上述实施例的基础上，发送方可以将加密密钥中，除触发位时序位置之外的其余非触发位时序位置对应的加密字符返回至密钥池。
上述非触发位时序位置的密文消息被本地随机数掩盖，并未被公开，只有发送方可以获得该部分密文消息。因此，上述被掩盖的密文消息被加密时使用的加密字符也未被公开。因此，发送方通过将上述加密字符返回至密钥池，可以减少密钥池中密钥资源的消耗。
图5为一个实施例中基于单路传输的量子直接通信方法的流程示意图，本实施例涉及发送方生成加密密钥的一种实现方式，在上述实施例的基础上，如图5所示，上述方法还包括：
S401、将目标时序位置对应的密文消息输入预设的密钥生成算法，获得补充密钥。
由于目标时序位置为接收方接收到量子态信息，且接收量子态信息时采用的基矢与发送方采用的基矢相同的时序位置。因此，针目标时序位置，接收方接收到的量子态信息进行解码后获得的解码结果，与发送方发送的密文消息相似度较高。
发送方可以将目标时序位置对应的密文消息输入预设的密钥生成算法，获得补充密钥。上述密钥生成算法中可以执行标准量子密钥分发协议过程所涉及的纠错和隐私放大等操作，获得补充密钥。相应地，接收方可以将目标时序位置对应的解码结果输入密钥生成算法，在接收方生成对应的解密密钥，并将解密密钥添加至接收方中的密钥池中。
S402、将补充密钥添加至预设的密钥池中。
进一步地，发送方可以将补充密钥添加至预设的密钥池中。
相应地，接收方可以将目标时序位置对应的解码结果进行复制，获得初始码；然后将初始码输入密钥生成算法，在接收方生成对应的补充密钥，并将补充密钥添加至接收方中的密钥池中。
上述基于单路传输的量子直接通信方法，发送方通过目标时序位置的密文消息，可以在消息传输过程中补充密钥池中的密钥，提供一次一密加密方式需要的密钥。
在一个实施例中，如图6所示，提供了一种基于单路传输的量子直接通信方法，以该方法应用于图1中的接收方为例进行说明，包括：
S501、接收发送方通过量子信道发送的量子态信息；量子态信息为发送方对待传输消息进行纠错抗损编码、加密后编码到量子态上的信息。
接收方可以根据预设时间窗口对量子信道进行测量，获得量子态信息。接收方可以在Z基和X基中随机选择一个基矢接收量子态信息。若接收到量子态信息，则标记为触发位。若未接收到量子态信息，则标记为非触发位。
上述量子态信息的具体限定参加S101中的描述，在此不做限定。
S502、对量子态信息进行解码，获得解码结果。
接收方可以将接收到的量子态信息根据预设对应关系进行解码，获得解码结果。解码过程可以如S201中表格所示，在此不做赘述。
S503、采用与发送方协商后的加密密钥对解码结果进行解密处理，获得解码结果对应的解密消息。
接收方可以采用与发送方协商后的密钥对解码结果进行解密处理，获得解密消息。
接收方获得的解码结果与发送方发送的密文消息不一定完全一致，存在比特翻转丢失等情况。但是由于发送方对待传输消息进行了纠错抗损编码，接收方可以容忍一定程度的比特丢失和错误。
S504、对解密信息进行与纠错抗损编码对应的译码处理，获得解密信息对应的传输消息。
接收方可以对解密信息进行译码处理，获得传输消息，完成确定的信息传输。
上述基于单路传输的量子直接通信方法，其技术效果和实现原理参见发送方侧方法实施例，在此不做赘述。
在其中一个实施例中，上述量子态信息为发送方采用本地随机数对待传输消息进行掩码处理获得的，接收方还可以获取发送方返回的触发位时序位置对应的子随机数。其中，触发位时序位置为探测到量子态信息对应的时序位置，发送方对待传码字进行量子态编码发送且接收方对接收到的量子态信息进行测量并获取到探测结果的时序位置；上述子随机数为发送方在本地随机数中确定的触发时序位置对应的部分数值。进一步地，接收方可以采用子随机数对触发时序位置对应的解码结果进行解掩码处理。对于上述解掩码过程可以参见S304中的描述，在此不做限定。
在其中一个实施例中，接收方可以对目标时序位置对应的解码结果进行复制，获得初始码；然后，将初始码输入预设的密钥生成算法，获得补充密钥；并将补充密钥添加至预设的密钥池中。目标时序位置为发送方对待传码字进行量子态编码与接收方对接收到的量子态信息进行解码时采用的基矢相同的时序位置。
上述基于单路传输的量子直接通信方法，其技术效果和实现原理参见发送方侧方法实施例，在此不做赘述。
在一个实施例中，提供一种基于单路传输的量子直接通信方法，如图7所示。
S601、发送方对待传输消息进行纠错抗损编码，获得待传输消息对应的码字。
如图8所示，Alice将自己信源中的待传输消息m进行纠错抗损编码，得到码字m1。
S602、发送方采用与接收方协商后的加密密钥对码字进行加密处理，获得码字对应的密文消息。
Alice从密钥池中提取与m1等长、完全随机的密钥k对m1进行一次一密加密得到密文消息c，c＝k⊕m1。
S603、发送方采用本地随机数对密文消息进行掩码处理，获得密文消息对应的待传码字。
Alice使用INCUM技术对密文消息c进行掩盖处理，将与c等长的本地随机数r与密文消息c进行异或得到待传码字c1，c1＝r⊕c。
S604、发送方将待传码字编码到量子态上，并将获得的量子态信息通过量子信道发送至接收方。
Alice将待传码字c1分成若干帧，根据一帧信息随机地选择Z基或者X基制备量子态，逐帧传输量子态信息。
S605、接收方接收发送方通过量子信道发送的量子态信息。
Bob随机选择Z基或X基测量量子信道，将测量到量子态信息的时序位置标记为触发位，将未获得测量结果的时序位置标记为非触发位。
S606、接收方对量子态信息进行解码，获得解码结果。
S607、接收方向发送方公布触发位时序位置。
S608、发送方获取接收方公布的接收触发位时序位置对应的量子态信息时采用的第一基矢。
Bob通过经典的认证信道向Alice公布触发位时序位置对应的基矢。
S609、发送方将对触发位时序位置对应的待传码字进行编码时采用的第二基矢与第一基矢进行比较。
S610、发送方将基矢比较结果相同的时序位置，确定为目标时序位置。
S611、发送方向接收方公布目标时序位置。
Bob获得目标位时序位置对应的解码结果，标记为c2。
S612、发送方获取接收方公布的目标时序位置中部分时序位置对应的解码结果。
S613、发送方将部分时序位置的待传输比特与部分时序位置的解码结果进行比较，统计量子信道的误码率。若误码率小于预设阈值，则执行S614。
S614、发送方向接收方公布本地随机数中与触发位时序位置对应的子随机数。
Alice在本地随机数r中提取子随机数r1，将r1向接收方公布。
S615、接收方采用子随机数对触发位时序位置对应的解码结果进行解掩码处理。
Bob采用子随机数r1对触发位时序位置对应的解码结果进行解掩码处理，其中对目标时序位位置对应的解码结果进行解掩码处理获得c′。
S616、接收方采用与发送方协商后的加密密钥对解掩码处理后的解码结果进行解密处理，获得解码结果对应的解密消息。
Bob根据目标时序位置位置对应的密钥k1对c′进行解密处理，获得解密消息m′1。
S617、接收方对解密信息进行与纠错抗损编码对应的译码处理，获得解密信息对应的传输消息。
Bob对m′1进行译码处理，获得传输消息。
上述方法还包括：
S618、发送方将加密密钥中，除触发位时序位置之外的其余非触发位时序位置对应的加密字符返回至密钥池。
Alice将加密密钥k中，除触发位时序位置之外的其余非触发位时序位置对应的加密字符k-k1返回至密钥池。
S619、发送方将目标时序位置对应的密文消息输入预设的密钥生成算法，获得补充密钥。
发送方对目标时序位置对应的密文消息c2进行纠错、隐私放大处理，生成补充密钥k′。
S620、发送方将补充密钥添加至预设的密钥池中。
Alice将k′添加至密钥池中。
S621、接收方对目标时序位置对应的解码结果进行复制，获得初始码。
Bob获得目标位时序位置对应的解码结果进行复制，获得c′2。
S622、将初始码输入预设的密钥生成算法，获得补充密钥。
Bob对c′2进行纠错、隐私放大处理，获得补充密钥k′。
S623、将补充密钥添加至预设的密钥池中。
Bob将k′添加至密钥池中。
上述基于单路传输的量子直接通信方法，其技术效果和实现原理参见发送方侧方法实施例，在此不做赘述。
应该理解的是，虽然如上的各实施例所涉及的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，如上的各实施例所涉及的流程图中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
基于同样的发明构思，本申请实施例还提供了一种用于实现上述所涉及的基于单路传输的量子直接通信方法的基于单路传输的量子直接通信装置。该装置所提供的解决问题的实现方案与上述方法中所记载的实现方案相似，故下面所提供的一个或多个基于单路传输的量子直接通信装置实施例中的具体限定可以参见上文中对于基于单路传输的量子直接通信方法的限定，在此不再赘述。在一个实施例中，如图9所示，提供了一种基于单路传输的量子直接通信装置，应用于量子通信系统中的发送方，包括：
第一编码模块110，用于对待传输消息进行纠错抗损编码，获得待传输消息对应的码字；
加密模块120，用于采用与接收方协商后的加密密钥对码字进行加密处理，获得码字对应的密文消息；
第二编码模块130，用于将密文消息编码到量子态上，并将获得的量子态信息通过量子信道发送至接收方。
在其中一个实施例中，如图10所示，上述装置还包括掩码模块140，用于：采用本地随机数对密文消息进行掩码处理，获得密文消息对应的待传码字；本地随机数与密文消息长度相等；
相应地，第二编码模块130用于：将待传码字编码到量子态上，并将获得的量子态信息通过量子信道发送至接收方。
在其中一个实施例中，如图11所示，上述装置还包括检测模块150，用于：获取接收方公布的触发位时序位置；触发位时序位置为接收方对量子信道传送的量子态进行测量，获得量子态信息的时序位置；确定触发位时序位置中的目标时序位置；目标时序位置为发送方对待传码字进行编码与接收方接收测量量子态信息时采用的基矢相同的时序位置；基于目标时序位置对量子信道进行窃听检测。
在其中一个实施例中，上述装置还包括检测模块150具体用于：获取接收方公布的目标时序位置中部分时序位置对应的解码结果；将部分时序位置的待传输比特与部分时序位置的解码结果进行比较，统计量子信道的误码率；若误码率大于预设阈值，则确定量子信道窃听检测不通过；若误码率小于预设阈值，则确定量子信道窃听检测通过。
在其中一个实施例中，上述装置还包括检测模块150，具体用于：获取接收方公布的接收触发位时序位置对应的量子态信息时采用的第一基矢；将对触发位时序位置对应的待传码字进行编码时采用的第二基矢与第一基矢进行比较；将基矢比较结果相同的时序位置，确定为目标时序位置。
在其中一个实施例中，如图12所示，上述装置还包括发送模块160，用于：向接收方公布本地随机数中与触发位时序位置对应的子随机数；子随机数用于接收方对触发位时序位置对应的解码结果进行解掩码处理。
在其中一个实施例中，加密模块120具体用于：在预设的密钥池中提取与码字等长的加密密钥，对码字进行一次一密加密处理。
在其中一个实施例中，如图13所示，上述装置还包括补充模块170，用于：将加密密钥中，除触发位时序外置之外的其余非触发位时序位置对应的用于加密所述纠错抗损编码码字的加密字符返回至密钥池。
在其中一个实施例中，如图14所示，上述装置还包括生成模块180，用于：将目标时序位置对应的密文消息输入预设的密钥生成算法，获得补充密钥；
将补充密钥添加至预设的密钥池中。
在其中一个实施例中，第一编码模块110具体用于：采用预设纠错算法对待传输消息进行纠错编码处理；
对纠错编码处理后的待传输消息进行扩频处理，获得待传输消息对应对的码字。
在一个实施例中，如图15所示，提供了一种基于单路传输的量子直接通信装置，应用于量子通信系统中的接收方，包括：
接收模块210，用于接收发送方通过量子信道发送的量子态信息；量子态信息为发送方对待传输消息进行纠错抗损编码、加密后编码到量子态上的信息；
解码模块220，用于对量子态信息进行解码，获得解码结果；
解密模块230，用于采用与发送方协商后的加密密钥对解码结果进行解密处理，获得解码结果对应的解密消息；
译码模块240，用于对解密信息进行与纠错抗损编码对应的译码处理，获得解密信息对应的传输消息。
在一个实施例中，上述接收模块210具体用于：根据预设时间窗口对量子信道传输的量子态进行测量，获得量子态信息。
在一个实施例中，量子态信息为发送方采用本地随机数对待传输消息进行掩码处理后编码到量子态上的，如图16所示，上述装置还包括处理模块250，用于：获取发送方返回的触发位时序位置对应的子随机数；触发位时序位置为探测到所述量子态信息对应的时序位置；子随机数为发送方在本地随机数中确定的触发位时序位置对应的部分数值；采用子随机数对触发位时序位置对应的解码结果进行解掩码处理。
在其中一个实施例中，如图17所示，上述装置还包括补充模块260，用于：对目标时序位置对应的解码结果进行复制，获得初始码；将初始码输入预设的密钥生成算法，获得补充密钥；将补充密钥添加至预设的密钥池中；所述目标时序位置为发送方对待传码字进行编码与接收方接收测量量子态信息时采用的基矢相同的时序位置。
上述装置实施例的具体实现效果和技术原理参见方法实施例，在此不做赘述。
上述基于单路传输的量子直接通信装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
在一个实施例中，提供了一种电子设备，其内部结构图可以如图18所示。该电子设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器和网络接口。其中，该电子设备的处理器用于提供计算和控制能力。该电子设备的存储器包括非易失性存储介质和内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统、计算机程序和数据库。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该电子设备的数据库用于存储基于单路传输的量子直接通信数据。该电子设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种基于单路传输的量子直接通信方法。
在一个实施例中，还提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现上述发送方侧的方法实施例中的步骤。
在一个实施例中，还提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现上述接收方侧的方法实施例中的步骤。
本领域技术人员可以理解，图18中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
在一个实施例中，如图19所示，提供一种量子通信系统，包括发送设备和接收设备。上述发送设备可以用于：对待传输消息进行纠错抗损编码，获得待传输消息对应的码字；采用与接收方协商后的加密密钥对码字进行加密处理，获得码字对应的密文消息；将密文消息编码到量子态上，并将获得的量子态信息通过量子信道发送至接收方；
上述接收设备可以用于：接收发送方通过量子信道发送的量子态信息；量子态信息为发送方对待传输消息进行纠错抗损编码、加密后编码到量子态上的信息；对量子态信息进行解码，获得解码结果；采用与发送方协商后的加密密钥对解码结果进行解密处理，获得解码结果对应的解密消息；对解密信息进行与纠错抗损编码对应的译码处理，获得解密信息对应的传输消息。
上述量子通信系统，其实现原理和技术效果与上述方法实施例对应，在此不做赘述。
在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述各方法实施例中的步骤。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成的，计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和易失性存储器中的至少一种。非易失性存储器可包括只读存储器(Read-OnlyMemory，ROM)、磁带、软盘、闪存、光存储器、高密度嵌入式非易失性存储器、阻变存储器(ReRAM)、磁变存储器(Magnetoresistive Random Access Memory，MRAM)、铁电存储器(Ferroelectric Random Access Memory，FRAM)、相变存储器(Phase Change Memory，PCM)、石墨烯存储器等。易失性存储器可包括随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)或外部高速缓冲存储器等。作为说明而非局限，RAM可以是多种形式，比如静态随机存取存储器(Static Random Access Memory，SRAM)或动态随机存取存储器(Dynamic RandomAccess Memory，DRAM)等。本申请所提供的各实施例中所涉及的数据库可包括关系型数据库和非关系型数据库中至少一种。非关系型数据库可包括基于区块链的分布式数据库等，不限于此。本申请所提供的各实施例中所涉及的处理器可为通用处理器、中央处理器、图形处理器、数字信号处理器、可编程逻辑器、基于量子计算的数据处理逻辑器等，不限于此。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (19)
1.一种基于单路传输的量子直接通信方法，其特征在于，应用于量子通信系统中的发送方，所述方法包括：
对待传输消息进行纠错抗损编码，获得所述待传输消息对应的码字；
采用与接收方协商后的加密密钥对所述码字进行加密处理，获得所述码字对应的密文消息；
将所述密文消息编码到量子态上，并将获得的量子态信息通过量子信道发送至接收方。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述密文消息编码到量子态上之前，还包括：
采用本地随机数对所述密文消息进行掩码处理，获得所述密文消息对应的待传码字；所述本地随机数与所述密文消息长度相等；
相应地，所述将所述密文消息编码到量子态上，并将获得的量子态信息通过量子信道发送至接收方，包括：
将所述待传码字编码到量子态上，并将获得的量子态信息通过量子信道发送至接收方。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述将获得的量子态信息通过量子信道发送至接收方之后，还包括：
获取所述接收方公布的触发位时序位置；所述触发位时序位置为所述接收方对所述量子信道传送的量子态进行测量，获得量子态信息的时序位置；
确定所述触发位时序位置中的目标时序位置；所述目标时序位置为发送方对待传码字进行编码与接收方接收测量量子态信息时采用的基矢相同的时序位置；
基于所述目标时序位置对所述量子信道进行窃听检测。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述基于所述目标时序位置对所述量子信道进行窃听检测，包括：
获取所述接收方公布的所述目标时序位置中部分时序位置对应的解码结果；
将所述部分时序位置的待传输比特与所述部分时序位置的解码结果进行比较，统计所述量子信道的误码率；
若所述误码率大于预设阈值，则确定所述量子信道窃听检测不通过；
若所述误码率小于预设阈值，则确定所述量子信道窃听检测通过。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述确定所述触发位时序位置中的目标时序位置，包括：
获取所述接收方公布的接收所述触发位时序位置对应的量子态信息时采用的第一基矢；
将对所述触发位时序位置对应的待传码字进行编码时采用的第二基矢与所述第一基矢进行比较；
将基矢比较结果相同的时序位置，确定为所述目标时序位置。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，窃听检测通过之后，所述方法还包括：
向所述接收方公布所述本地随机数中与所述触发位时序位置对应的子随机数；所述子随机数用于接收方对所述触发位时序位置对应的解码结果进行解掩码处理。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述采用与接收方协商后的加密密钥对所述码字进行加密处理，获得所述码字对应的密文消息，包括：
在预设的密钥池中提取与所述码字等长的加密密钥，对所述码字进行一次一密加密处理。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
将所述加密密钥中，除所述触发位时序位置之外的其余非触发位时序位置对应的用于加密所述纠错抗损编码码字的加密字符返回至所述密钥池。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
将所述目标时序位置对应的密文消息输入预设的密钥生成算法，获得补充密钥；
将所述补充密钥添加至预设的密钥池中。
10.根据权利要求1-9任一项所述的方法，其特征在于，所述对待传输消息进行纠错抗损编码，获得所述待传输消息对应的码字，包括：
采用预设纠错算法对所述待传输消息进行纠错编码处理；
对纠错编码处理后的待传输消息进行扩频处理，获得所述待传输消息对应对的码字。
11.一种基于单路传输的量子直接通信方法，其特征在于，应用于量子通信系统中的接收方，所述方法包括：
接收发送方通过量子信道发送的量子态信息；所述量子态信息为所述发送方对待传输消息进行纠错抗损编码、加密后编码到量子态上的信息；
对所述量子态信息进行解码，获得解码结果；
采用与发送方协商后的加密密钥对所述解码结果进行解密处理，获得所述解码结果对应的解密消息；
对所述解密信息进行与所述纠错抗损编码对应的译码处理，获得所述解密信息对应的传输消息。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述接收发送方通过量子信道发送的量子态信息，包括：
根据预设时间窗口对所述量子信道传输的量子态进行测量，获得所述量子态信息。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述量子态信息为所述发送方采用本地随机数对待传输消息进行掩码处理后编码到量子态上的，所述方法还包括：
获取所述发送方返回的触发位时序位置对应的子随机数；所述子随机数为所述发送方在所述本地随机数中确定的触发位时序位置对应的部分数值；所述触发位时序位置为探测到所述量子态信息对应的时序位置；
采用所述子随机数对所述触发位时序位置对应的解码结果进行解掩码处理。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
对目标时序位置对应的解码结果进行复制，获得初始码；所述目标时序位置为发送方对待传码字进行编码与接收方接收测量量子态信息时采用的基矢相同的时序位置；
将所述初始码输入预设的密钥生成算法，获得补充密钥；
将所述补充密钥添加至预设的密钥池中。
15.一种基于单路传输的量子直接通信装置，其特征在于，应用于量子通信系统中的发送方，所述装置包括：
第一编码模块，用于对待传输消息进行纠错抗损编码，获得所述待传输消息对应的码字；
加密模块，用于采用与接收方协商后的加密密钥对所述码字进行加密处理，获得所述码字对应的密文消息；
第二编码模块，用于将所述密文消息编码到量子态上，并将获得的量子态信息通过量子信道发送至接收方。
16.一种基于单路传输的量子直接通信装置，其特征在于，应用于量子通信系统中的接收方，所述装置包括：
接收模块，用于接收发送方通过量子信道发送的量子态信息；所述量子态信息为所述发送方对待传输消息进行纠错抗损编码、加密后编码到量子态上的信息；
解码模块，用于对所述量子态信息进行解码，获得解码结果；
解密模块，用于采用与发送方协商后的加密密钥对所述解码结果进行解密处理，获得所述解码结果对应的解密消息；
译码模块，用于对所述解密信息进行与所述纠错抗损编码对应的译码处理，获得所述解密信息对应的传输消息。
17.一种通信设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至10中任一项所述的方法的步骤。
18.一种通信设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求11至14中任一项所述的方法的步骤。
19.一种量子通信系统，其特征在于，包括发送设备与接收设备，所述发送设备为权利要求17所述的通信设备；所述接收设备为权利要求18所述的通信设备。
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- 2021-12-15 CN CN202111535292.5A patent/CN114244507B/zh active Active
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