CN114944920B - 基于离散量子游走公钥加密系统的量子通信方法 - Google Patents

基于离散量子游走公钥加密系统的量子通信方法 Download PDF

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Abstract

本公开提供了一种基于离散量子游走公钥加密系统的量子通信方法。该方法包括根据随机生成的m个第一信息加密参数集，生成m个第一量子游走线路，其中，m个第一信息加密参数集与m个第一量子游走线路一一对应，m为大于或者等于1的整数；根据m个第一信息加密参数集和m个第一量子游走线路，生成m对量子态序列，并将其确定为m对公钥；利用对称密钥对m对公钥进行排列，得到长度为2m的第一目标量子态序列，对称密钥是信息接收端和信息发送端预先设置的；将第一目标量子态序列传输至信息发送端，以使得信息发送端根据第一目标量子态序列和待发送信息，生成编码信息；根据对称密钥，从来自信息发送端的编码信息中确定待发送信息。

Description

基于离散量子游走公钥加密系统的量子通信方法
技术领域
本公开涉及量子通信技术领域，更具体地，涉及一种基于离散量子游走公钥加密系统的量子通信方法。
背景技术
量子密钥分发以及量子加密可以实现无条件安全的量子直接通信协议（QuantumDirect Communication Protocol）。通过选取不同的量子基态进行泡利运算（PauliOperation）的加密策略提供了一种简单而易于实现的量子信息的加密方案。首先通信双方通过量子密钥分发（Quantum Key Distribution）建立一个安全经典信道，当安全的经典信道建立后即可开始进行量子的信息传输。信息接收端随机从给定计算基的集合中选取并生成一串的量子比特序列发送给信息发送端。信息发送端在接收量子比特后进行攻击者探测（Eavesdropping Detection）确认量子信道的安全后，将信息通过对应的泡利算符编码在接收到的量子比特序列后，将编码后的量子比特序列发送给信息接收端。信息接收端对接收的量子比特序列进行投影测量后根据测量结果即可还原待传输的信息。
在实现本公开构思的过程中，发明人发现相关技术中至少存在如下问题：在量子通信中，攻击者较为容易对通信双方交互的信息进行修改，使得量子通信的安全性较差。
发明内容
有鉴于此，本公开实施例提供了一种基于离散量子游走公钥加密系统的量子通信方法、装置、电子设备、计算机可读存储介质和计算机程序产品。
本公开实施例的一个方面提供了一种基于离散量子游走公钥加密系统的量子通信方法，应用于与信息发送端通信连接的信息接收端，包括：
根据随机生成的m个第一信息加密参数集，生成m个第一量子游走线路，其中，上述m个第一信息加密参数集与上述m个第一量子游走线路一一对应，m为大于或者等于1的整数，上述第一信息加密参数集包括用于公钥加密系统进行加密的多个参数；
根据上述m个第一信息加密参数集和上述m个第一量子游走线路，生成m对量子态序列，并将其确定为m对公钥；
利用对称密钥对上述m对公钥进行排列，得到长度为2m的第一目标量子态序列，其中，上述对称密钥是上述信息接收端和上述信息发送端预先设置的；
将上述第一目标量子态序列传输至上述信息发送端，以使得上述信息发送端根据上述第一目标量子态序列和待发送信息，生成编码信息；
根据上述对称密钥，从来自上述信息发送端的上述编码信息中确定上述待发送信息。
根据本公开的实施例，上述第一信息加密参数集包括使用次数参数和量子门构造参数，上述使用次数参数表征第一量子门在第一量子游走线路中的使用次数；
其中，根据随机生成的m个第一信息加密参数集，生成m个第一量子游走线路，包括：
根据每个第一信息加密参数集中的上述使用次数参数和上述量子门构造参数，确定与上述第一信息加密参数集对应的第一量子门；
根据每个上述第一量子门和与上述第一量子门对应的上述使用次数参数，构建与上述第一量子门对应的上述第一量子游走线路；
上述第一信息加密参数集还包括第一随机参数和第二随机参数；
其中，根据上述m个第一信息加密参数集和上述m个第一量子游走线路，生成m对量子态序列，并将其确定为m对公钥，包括：
针对每个上述第一信息加密参数集，根据上述第一随机参数和上述第二随机参数确定量子态位置态和硬币比特；
根据上述量子态位置态、上述硬币比特和与上述第一信息加密参数集对应的上述第一量子游走线路，生成一对上述量子态序列；
将与m个上述第一信息加密参数集对应的m对量子态序列，确定为上述公钥。
根据本公开的实施例，上述对称密钥包括第二信息加密参数集，上述第二信息加密参数集包括第三随机参数，上述第二信息加密参数集包括用于公钥加密系统进行加密的多个参数；
其中，利用对称密钥对上述m对公钥进行排列，得到长度为2m的第一目标量子态序列，包括：
针对每对公钥，在确定上述第三随机参数为第一预设数值的情况下，将上述公钥的参数进行重新排列，得到一对第一中间量子态序列；
在确定上述第三随机参数为第二预设数值的情况下，将上述公钥确定为一对第一中间量子态序列；
根据m对上述第一中间量子态序列，生成上述第一目标量子态序列。
根据本公开的实施例，根据上述对称密钥，从来自上述信息发送端的上述编码信息中确定上述待发送信息，包括：
根据上述编码信息和上述对称密钥，得到第二目标量子态序列；
根据上述对称密钥和与上述第二目标量子态序列对应的上述第一信息加密参数集，构建第二量子游走线路；
根据上述第二量子游走线路和上述第二目标量子态序列，得到测量结果；
根据上述测量结果确定上述待发送信息。
根据本公开的实施例，根据上述第二量子游走线路和上述第二目标量子态序列，得到测量结果，包括：
利用上述第二量子游走线路对上述第二目标量子态序列进行还原，得到还原后的第二目标量子态序列；
利用测量基对上述还原后的第二目标量子态序列进行测量，得到上述测量结果。
根据本公开的实施例，上述测量结果如第一个公式所示，上述待发送信息如第二个公式所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
Figure 578219DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为
Figure 228643DEST_PATH_IMAGE004
的整数，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为量子系统的维度，
Figure 339687DEST_PATH_IMAGE006
为待发送信息，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为第一测 量结果；
Figure 442772DEST_PATH_IMAGE008
为第二测量结果，即待解析的硬币比特。
根据本公开的实施例，量子通信方法还包括：
利用检验硬币比特与上述待解析的硬币比特进行对比，得到对比结果；
在上述对比结果表明上述检验硬币比特与上述待解析的硬币比特一致的情况下，将上述量子通信方法使用的信道确定为安全信道；
在上述对比结果表明上述检验硬币比特与上述待解析的硬币比特不一致的情况下，将上述量子通信方法使用的信道确定为危险信道。
本公开实施例的另一个方面提供了一种基于离散量子游走公钥加密系统的量子通信方法，应用于与信息接收端通信连接的信息发送端，包括：
接收来自于上述信息接收端发送的第一目标量子态序列，其中，上述第一目标量子态序列是上述信息接收端利用对称密钥分别对m对公钥进行排列得到的，上述m对公钥是根据每个第一信息加密参数集和与上述第一信息加密参数集对应的第一量子游走线路确定的，上述第一信息加密参数集是上述信息接收端随机生成的，m个上述第一量子游走线路是根据每个上述第一信息加密参数集生成的，上述对称密钥是上述信息接收端和上述信息发送端预先共享的，上述第一信息加密参数集包括用于公钥加密系统进行加密的多个参数；
根据上述第一目标量子态序列和待发送信息，生成编码信息；
将上述编码信息发送至上述信息接收端，以使得上述信息接收端根据上述对称密钥，从上述编码信息中确定上述待发送信息。
根据本公开的实施例，根据上述第一目标量子态序列和待发送信息，生成编码信息，包括：
利用上述对称密钥对上述第一目标量子态序列进行还原处理，得到m对还原后的第一目标量子态序列；
将待发送信息编码在上述m对还原后的第一目标量子态序列，得到m对编码后的第一目标量子态序列；
利用第三量子游走线路处理上述m对编码后的第一目标量子态序列，得到m对第三目标量子态序列，其中，上述第三量子游走线路是根据上述对称密钥建立的；
利用上述对称密钥对每对上述第三目标量子态序列进行处理，得到长度为2m的上述编码信息。
根据本公开的实施例，利用上述对称密钥对上述第一目标量子态序列进行还原处理，得到m对还原后的第一目标量子态序列，包括：
利用上述对称密钥的第三随机参数对上述第一目标量子态序列进行排列还原处理，得到上述m对还原后的第一目标量子态序列，其中，上述对称密钥包括第二信息加密参数集，上述第二信息加密参数集包括第三随机参数；
根据本公开的实施例，将待发送信息编码在上述m对还原后的第一目标量子态序列，得到m对编码后的第一目标量子态序列，包括：
利用第二量子门将上述待发送信息编码在上述m对还原后的第一目标量子态序列，得到上述m对编码后的第一目标量子态序列；
根据本公开的实施例，利用第三量子游走线路处理上述m对编码后的第一目标量子态序列，得到m对第三目标量子态序列，包括：
利用上述对称密钥的量子门生成参数建立上述第三量子游走线路，其中，上述第二信息加密参数集还包括上述量子门生成参数；
根据第三量子门和每对上述编码后的第一目标量子态序列，得到m对第二中间量子态序列，其中，上述第三量子门与上述第二量子门呈不对易关系；
根据上述第三量子游走线路和m对上述第二中间量子态序列，得到m对上述第三目标量子态序列。
本公开实施例的另一个方面提供了一种基于离散量子游走公钥加密系统的量子通信装置，包括：
第一生成模块，用于根据随机生成的m个第一信息加密参数集，生成m个第一量子游走线路，其中，上述m个第一信息加密参数集与上述m个第一量子游走线路一一对应，m为大于或者等于1的整数，上述第一信息加密参数集包括表征用于公钥加密系统进行加密的多个参数；
第二生成模块，用于根据上述m个第一信息加密参数集和上述m个第一量子游走线路，生成m对量子态序列，并将其确定为m对公钥；
排列模块，用于利用对称密钥对上述m对公钥进行排列，得到长度为2m的第一目标量子态序列，其中，上述对称密钥是上述信息接收端和上述信息发送端预先设置的；
第一传输模块，用于将上述第一目标量子态序列传输至上述信息发送端，以使得上述信息发送端根据上述第一目标量子态序列和待发送信息，生成编码信息；
确定模块，用于根据上述对称密钥，从来自上述信息发送端的上述编码信息中确定上述待发送信息。
本公开实施例的另一个方面提供了一种基于离散量子游走公钥加密系统的量子通信装置，包括：
接收模块，用于接收来自于上述信息接收端发送的第一目标量子态序列，其中，上述第一目标量子态序列是上述信息接收端利用对称密钥分别对m对公钥进行排列得到的，上述m对公钥是根据每个第一信息加密参数集和与上述第一信息加密参数集对应的第一量子游走线路确定的，上述第一信息加密参数集是上述信息接收端随机生成的，m个上述第一量子游走线路是根据每个上述第一信息加密参数集生成的，上述对称密钥是上述信息接收端和上述信息发送端预先共享的，上述第一信息加密参数集包括表征用于公钥加密系统进行加密的多个参数；
第三生成模块，用于根据上述第一目标量子态序列和待发送信息，生成编码信息；
第二传输模块，用于将上述编码信息发送至上述信息接收端，以使得上述信息接收端根据上述对称密钥，从上述编码信息中确定上述待发送信息。
本公开实施例的另一个方面提供了一种电子设备，包括：一个或多个处理器；存储器，用于存储一个或多个程序，其中，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现如上所述的方法。
本公开实施例的另一个方面提供了一种计算机可读存储介质，存储有计算机可执行指令，所述指令在被执行时用于实现如上所述的方法。
本公开实施例的另一个方面提供了一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机可执行指令，所述指令在被执行时用于实现如上所述的方法。
根据本公开的实施例，信息接收端根据随机生成的m个第一信息加密参数集，生成m个第一量子游走线路；根据m个第一信息加密参数集和m个第一量子游走线路，生成m对量子态序列，并将其确定为m对公钥；利用对称密钥对m对公钥进行排列，得到长度为2m的第一目标量子态序列；将第一目标量子态序列传输至信息发送端，以使得信息发送端根据第一目标量子态序列和待发送信息，生成编码信息；根据对称密钥，从来自信息发送端的编码信息中确定待发送信息，本公开通过量子游走线路处理生成的公钥被对称密钥进行加密，有效提高了量子通信的安全性。
附图说明
通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示出了根据本公开实施例的应用信息接收端的量子通信方法的流程图；
图2示出了根据本公开实施例的基于量子游走的公钥生成示意图；
图3示出了根据本公开实施例的第二量子游走线路的构建示意图；
图4示出了根据本公开实施例的应用于信息发送端的量子通信方法的流程图；
图5示出了根据本公开实施例的第三量子游走线路的示意图；
图6示出了根据本公开的实施例的应用于信息接收端的量子通信装置的框图；
图7示出了根据本公开的实施例的应用于信息发送端的量子通信装置的框图；
图8示出了根据本公开实施例的实现量子通信方法的电子设备的框图。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语（包括技术和科学术语）具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释（例如，“具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等）。
发明人发现，信息发送端在接收量子比特后需要进行攻击者探测（EavesdroppingDetection），然而在相关技术的量子通信方法中较为容易被攻击者修改传输的信息，由此使得信息接收对接收的量子比特序列进行投影测量后根据测量结果即可还原待传输的信息是不安全可信的。
发明人还发现，通过离散的量子游走（Discrete Quantum Walk）的方法可以将信息编码在更高维度的希尔伯特空间的量子态上，相比于针对量子比特的泡利运算，量子游走具有更好的灵活性与可扩展性，不仅可以在单个量子比特上编码，也可以实现对由多个量子比特生成的更高维度的空间的量子态进行信息的编码，也可以在更高维的量子态比如三维的量子比特（Qutrit）上实现编码。量子游走同时可以对信息进行编码并且可以对量子态实现类似公钥体系的加密：密钥生成方将通过量子游走对选取的随机的量子态进行加密并将其作为自己的公钥，信息发送端将自己的信息编码通过位移算符（Shift Operator）编码至公钥上，密钥发送端即可通过私钥对加密的信息进行解密处理，以对加密的信息进行还原，同时攻击者无法通过编码后的量子态得出发送的信息以及解密所需的私钥。
有鉴于此，本公开的实施例提供了一种基于离散量子游走公钥加密系统的量子通信方法。该方法包括根据随机生成的m个第一信息加密参数集，生成m个第一量子游走线路，其中，m个第一信息加密参数集与m个第一量子游走线路一一对应，m为大于或者等于1的整数，第一信息加密参数集包括表征用于公钥加密系统进行加密的多个参数；根据m个第一信息加密参数集和m个第一量子游走线路，生成m对量子态序列，并将其确定为m对公钥；利用对称密钥对m对公钥进行排列，得到长度为2m的第一目标量子态序列，其中，对称密钥是信息接收端和信息发送端预先设置的；将第一目标量子态序列传输至信息发送端，以使得信息发送端根据第一目标量子态序列和待发送信息，生成编码信息；根据对称密钥，从来自信息发送端的编码信息中确定待发送信息。
图1示出了根据本公开实施例的应用信息接收端的量子通信方法的流程图。
如图1所示，基于离散量子游走公钥加密系统的量子通信方法，应用于与信息发送端通信连接的信息接收端，包括操作S101~S105。
在操作S101，根据随机生成的m个第一信息加密参数集，生成m个第一量子游走线路，其中，m个第一信息加密参数集与m个第一量子游走线路一一对应，m为大于或者等于1的整数，第一信息加密参数集包括用于公钥加密系统进行加密的多个参数。
在操作S102，根据m个第一信息加密参数集和m个第一量子游走线路，生成m对量子态序列，并将其确定为m对公钥。
在操作S103，利用对称密钥对m对公钥进行排列，得到长度为2m的第一目标量子态序列，其中，对称密钥是信息接收端和信息发送端预先设置的。
在操作S104，将第一目标量子态序列传输至信息发送端，以使得信息发送端根据第一目标量子态序列和待发送信息，生成编码信息。
在操作S105，根据对称密钥，从来自信息发送端的编码信息中确定待发送信息。
根据本公开的实施例，第一目标量子态序列的生成可以是信息接收端响应与信息发送端发送的通信请求生成的，也可以是未接收到通信请求之前提前生成的。向信息发送端发送第一目标量子态序列可以是响应于通信请求发送的，也可以是未接收到通信请求而提前向信息发送端发送的。
根据本公开的实施例，第一信息加密参数集是信息接收端随机生成的并存储在信 息接收端的数据库，第一信息加密参数集可以是四元组
Figure DEST_PATH_IMAGE009
，其中，
Figure 965807DEST_PATH_IMAGE010
为非负 整数，表示第一量子门在第一量子游走线路中的使用次数；
Figure DEST_PATH_IMAGE011
取值范围为
Figure 205159DEST_PATH_IMAGE012
，为用于构 造量子门的参数；第一随机参数
Figure 831312DEST_PATH_IMAGE003
为
Figure 139803DEST_PATH_IMAGE004
的整数，
Figure 916129DEST_PATH_IMAGE005
为量子系统的维度；第二随机参 数
Figure DEST_PATH_IMAGE013
的值为
Figure 26298DEST_PATH_IMAGE014
或
Figure DEST_PATH_IMAGE015
，
Figure 354512DEST_PATH_IMAGE013
的具体参数值可以根据实际需求具体设置，并非只能为0或1。
根据本公开的实施例，对称密钥可以是三元组
Figure 494506DEST_PATH_IMAGE016
，量子门生成参数
Figure DEST_PATH_IMAGE017
的值为非负整数，表示用于生成量子门的参数；而第三随机参数
Figure 87905DEST_PATH_IMAGE018
和第四随机参数
Figure DEST_PATH_IMAGE019
的值均为0或1，用于表示通信双方是否交换量子态对的顺序，若值为0，则表示不交换当前 持有的量子态对，值为1则交换量子态对。
根据本公开的实施例，信息接收端根据随机生成的m个第一信息加密参数集，依次 生成m个对应的第一量子游走线路，并依据每一个第一信息加密参数集中的参数准备量子 态位置态
Figure 301849DEST_PATH_IMAGE020
，并根据每个量子态位置态
Figure 191176DEST_PATH_IMAGE020
和对应的第一量子游走线路，生 成m对量子态序列
Figure DEST_PATH_IMAGE021
，将该m对量子态序列
Figure 818466DEST_PATH_IMAGE021
确定为m对公钥。
根据本公开的实施例，利用对称密钥对m对公钥进行排列，得到长度为2m的第一目标量子态序列，向信息发送端发送该第一目标量子态序列，信息发送端根据第一目标量子态序列和待发送信息生成编码信息，并将该编码信息发送给信息接收端，信息接收端根据对称密钥，从所述编码信息中确定所述待发送信息。
根据本公开的实施例，信息接收端根据随机生成的m个第一信息加密参数集，生成m个第一量子游走线路；根据m个第一信息加密参数集和m个第一量子游走线路，生成m对量子态序列，并将其确定为m对公钥；利用对称密钥对m对公钥进行排列，得到长度为2m的第一目标量子态序列；将第一目标量子态序列传输至信息发送端，以使得信息发送端根据第一目标量子态序列和待发送信息，生成编码信息；根据对称密钥，从来自信息发送端的编码信息中确定待发送信息，本公开通过量子游走线路处理生成的公钥被对称密钥进行加密，有效提高了量子通信的安全性。
图2示出了根据本公开实施例的基于量子游走的公钥生成示意图。
根据本公开的实施例，第一信息加密参数集包括使用次数参数
Figure 936595DEST_PATH_IMAGE010
和量子门构造参 数
Figure 224619DEST_PATH_IMAGE011
，使用次数参数表征第一量子门在第一量子游走线路中的使用次数。
根据本公开的实施例，根据随机生成的m个第一信息加密参数集，生成m个第一量子游走线路，包括如下操作：
根据每个第一信息加密参数集中的使用次数参数
Figure 160214DEST_PATH_IMAGE010
和量子门构造参数
Figure 415746DEST_PATH_IMAGE011
，确定 与第一信息加密参数集对应的第一量子门
Figure 665462DEST_PATH_IMAGE022
。根据每个第一量子门
Figure 306528DEST_PATH_IMAGE022
和与第一量子门
Figure 413024DEST_PATH_IMAGE022
对 应的使用次数参数
Figure 890273DEST_PATH_IMAGE010
，构建与第一量子门
Figure 943680DEST_PATH_IMAGE022
对应的第一量子游走线路。
根据本公开的实施例，信息接收端依次根据每个第一信息加密参数集中使用次数 参数
Figure 486524DEST_PATH_IMAGE010
和量子门构造参数
Figure 498342DEST_PATH_IMAGE011
准备如公式（1）和（2）所示的第一量子门
Figure 462887DEST_PATH_IMAGE022
，并参照图2所示的 方式根据每个第一量子门
Figure 319984DEST_PATH_IMAGE022
和与第一量子门
Figure 670063DEST_PATH_IMAGE022
对应的使用次数参数
Figure 118362DEST_PATH_IMAGE010
构建对应的第一量 子游走线路。
Figure DEST_PATH_IMAGE023
（1）
Figure 570203DEST_PATH_IMAGE024
Figure DEST_PATH_IMAGE025
（2）
其中，
Figure 919407DEST_PATH_IMAGE026
是单位量子门，
Figure DEST_PATH_IMAGE027
代表克罗内克积符号，
Figure 61675DEST_PATH_IMAGE028
指求和运算，
Figure DEST_PATH_IMAGE029
指对
Figure 680876DEST_PATH_IMAGE005
进 行求余，
Figure 620013DEST_PATH_IMAGE005
为量子系统的维度，
Figure 84492DEST_PATH_IMAGE030
和
Figure DEST_PATH_IMAGE031
均为量子力学中的狄拉克符号，其中，
Figure 173278DEST_PATH_IMAGE032
代表 右态矢，
Figure 838745DEST_PATH_IMAGE031
代表左态矢，S表示控制位移量子门，R表示翻转量子门，
Figure 124233DEST_PATH_IMAGE011
取值范围为
Figure 782616DEST_PATH_IMAGE012
。
根据本公开的实施例，第一信息加密参数集还包括第一随机参数
Figure 978105DEST_PATH_IMAGE003
和第二随机参 数
Figure 142371DEST_PATH_IMAGE013
。
根据本公开的实施例，根据m个第一信息加密参数集和m个第一量子游走线路，生成m对量子态序列，并将其确定为m对公钥，包括如下操作：
针对每个第一信息加密参数集，根据第一随机参数
Figure 180734DEST_PATH_IMAGE003
和第二随机参数
Figure 878694DEST_PATH_IMAGE013
确定量子 态位置态
Figure 928689DEST_PATH_IMAGE020
和硬币比特。根据量子态位置态
Figure 60593DEST_PATH_IMAGE020
、硬币比特和与第一信息加 密参数集对应的第一量子游走线路，生成一对量子态序列。将与m个第一信息加密参数集对 应的m对量子态序列，确定为公钥。
根据本公开的实施例，根据第一随机参数
Figure 523936DEST_PATH_IMAGE003
和第二随机参数
Figure 789701DEST_PATH_IMAGE013
确定量子态位置态
Figure 818837DEST_PATH_IMAGE020
和硬币比特，将该量子态位置态
Figure 997008DEST_PATH_IMAGE020
和硬币比特输入至上述对应的第一量 子游走线路中，可以得到一对量子态序列，量子态序列中包括两个第一量子游走线路处理 后得到的第一初始量子态位置态
Figure DEST_PATH_IMAGE033
，如公式（3）所示，将m对量子态序列，确 定为公钥。
Figure 638992DEST_PATH_IMAGE034
（3）
其中，
Figure 52656DEST_PATH_IMAGE022
为第一量子门，
Figure 77244DEST_PATH_IMAGE003
为第一随机参数，
Figure 410005DEST_PATH_IMAGE013
为第二随机参数，
Figure 847939DEST_PATH_IMAGE010
为使用次数参 数，
Figure 330873DEST_PATH_IMAGE032
代表右态矢，
Figure 944388DEST_PATH_IMAGE031
代表左态矢。
根据本公开的实施例，对称密钥包括第二信息加密参数集，第二信息加密参数集 包括第三随机参数
Figure 480674DEST_PATH_IMAGE018
，第二信息加密参数集包括表征用于公钥加密系统进行加密的多个 参数。
根据本公开的实施例，利用对称密钥对m对公钥进行排列，得到长度为2m的第一目标量子态序列，包括如下操作：
针对每对公钥，在确定第三随机参数为第一预设数值的情况下，将公钥的参数进行重新排列，得到一对第一中间量子态序列。在确定第三随机参数为第二预设数值的情况下，将公钥确定为一对第一中间量子态序列。根据m对第一中间量子态序列，生成第一目标量子态序列。
根据本公开的实施例，第一预设数值和第二预设数值的具体数值与预先设定的第三随机参数的数值对应，因此，在工作人员设定或更改第三随机参数时需同步对第一预设数值和第二预设数值进行修改，本公开的第一预设数值为1，第二预设数值为0。
根据本公开的实施例，在对每对公钥中的量子态序列进行排序时，若第三随机参 数
Figure 937063DEST_PATH_IMAGE018
的值为第二预设数值
Figure 161371DEST_PATH_IMAGE014
则保留此对量子态序列，得到第一中间量子态序列，每个第一 中间量子态序列包括两个第二初始量子态位置态
Figure 160551DEST_PATH_IMAGE033
，若第三随机参数
Figure 366274DEST_PATH_IMAGE018
的 值为第一预设数值1则交换这一对量子态序列的顺序，得到第一中间量子态序列，每个第一 中间量子态序列包括两个第一初始量子态位置态
Figure 44380DEST_PATH_IMAGE033
。根据m对第一中间量子 态序列，生成第一目标量子态序列。
图3示出了根据本公开实施例的第二量子游走线路的构建示意图。
根据本公开的实施例，根据对称密钥，从来自信息发送端的编码信息中确定待发送信息，包括如下操作：
根据编码信息和对称密钥，得到第二目标量子态序列；根据对称密钥和与第二目标量子态序列对应的第一信息加密参数集，构建第二量子游走线路；根据第二量子游走线路和第二目标量子态序列，得到测量结果；根据测量结果确定待发送信息。
根据本公开的实施例，根据第二量子游走线路和第二目标量子态序列，得到测量结果，包括如下操作：
利用第二量子游走线路对第二目标量子态序列进行还原，得到还原后的第二目标量子态序列。利用测量基对还原后的第二目标量子态序列进行测量，得到测量结果。
根据本公开的实施例，信息接收端根据对称密钥中第四随机参数
Figure DEST_PATH_IMAGE035
的值对编码 信息进行顺序还原得到
Figure 744482DEST_PATH_IMAGE036
对第二目标量子态序列，每个第二中间量子态序列包括两个还原 后的第三初始量子态位置态
Figure DEST_PATH_IMAGE037
，信息接收端根据对称密钥中对应的 量子门生成参数
Figure 877130DEST_PATH_IMAGE017
和对应的第一信息加密参数集
Figure 738907DEST_PATH_IMAGE009
构建如图3所示的第 二量子游走线路。
根据本公开的实施例，利用第二量子游走线路对第二目标量子态序列进行还原处 理，可以得到测量结果，测量结果包括第一测量结果
Figure 638730DEST_PATH_IMAGE007
和第二测量结果
Figure 1578DEST_PATH_IMAGE008
，第二测量结果即 待解析的硬币比特，信息接收端可以通过第一测量结果
Figure 693459DEST_PATH_IMAGE038
和第二测量结果
Figure 991717DEST_PATH_IMAGE008
确定待发送信 息
Figure 909994DEST_PATH_IMAGE006
。
根据本公开的实施例，图3中
Figure DEST_PATH_IMAGE039
是量子傅里叶变换的逆过程，而
Figure 437052DEST_PATH_IMAGE040
是指第一量 子门
Figure 265331DEST_PATH_IMAGE022
的逆元，逆元满足公式（4），最后分别采用公式（5）测量基
Figure DEST_PATH_IMAGE041
得到测量结果。
Figure 514916DEST_PATH_IMAGE042
（4）
Figure DEST_PATH_IMAGE043
Figure 654910DEST_PATH_IMAGE044
（5）
根据本公开的实施例，测量结果如公式（6）所示，待发送信息如公式（7）所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE045
（6）
Figure 648974DEST_PATH_IMAGE046
（7）
其中，
Figure 190814DEST_PATH_IMAGE003
为
Figure 158770DEST_PATH_IMAGE004
的整数，
Figure 927006DEST_PATH_IMAGE005
为量子系统的维度，
Figure 294402DEST_PATH_IMAGE006
为待发送信息，
Figure 221907DEST_PATH_IMAGE007
为第一测 量结果；
Figure 767289DEST_PATH_IMAGE008
为第二测量结果，即待解析的硬币比特（coin state）。
根据本公开的实施例，应用于信息接收端的量子通信方法还包括如下操作：
利用检验硬币比特与待解析的硬币比特进行对比，得到对比结果。在对比结果表明检验硬币比特与待解析的硬币比特一致的情况下，将量子通信方法使用的信道确定为安全信道。在对比结果表明检验硬币比特与待解析的硬币比特不一致的情况下，将量子通信方法使用的信道确定为危险信道。
根据本公开的实施例，检验硬币比特可以是第一信息加密参数集中的第二随机参 数
Figure 507974DEST_PATH_IMAGE013
。
根据本公开的实施例，测量结果中的待解析的硬币比特
Figure 23269DEST_PATH_IMAGE008
与对应的第二随机参数
Figure 539701DEST_PATH_IMAGE013
比对，若出现
Figure DEST_PATH_IMAGE047
，则说明进行量子通信时使用的通信信道中存在攻击者对编码信息 进行过修改，需要废弃编码信息并更换信道重新执行本公开的量子通信方法。若
Figure 442935DEST_PATH_IMAGE048
， 则说明进行量子通信时使用的通信信道中不存在攻击者对编码信息进行过修改的情况，其 中，通信信道是指量子通信时信息传输的通路。
根据本公开的实施例，检验硬币比特与测量结果的比较可以以较高的概率探测到攻击者，即使攻击者在修改了编码信息而未能被发现的情况下，由于上述步骤中根据对称密钥生成的量子反傅里叶变换门的存在，攻击者也无法将编码信息修改成其希望的内容，如果信息发送端发送的编码信息本身带有校验码，这种情况下信息接收端也可以察觉到攻击者的存在。相比于已有的量子直接通信协议，本公开的量子通信方法既可以实现扩展性良好的信息传输，同时不需要再额外引入量子态进行攻击者探测，提高了量子态利用效率。
图4示出了根据本公开实施例的应用于信息发送端的量子通信方法的流程图。
如图4所示，基于离散量子游走公钥加密系统的量子通信方法，应用于与信息接收端通信连接的信息发送端，包括操作S401~S403。
在操作S401，接收来自于信息接收端发送的第一目标量子态序列，其中，第一目标量子态序列是信息接收端利用对称密钥分别对m对公钥进行排列得到的，m对公钥是根据每个第一信息加密参数集和与第一信息加密参数集对应的第一量子游走线路确定的，第一信息加密参数集是信息接收端随机生成的，m个第一量子游走线路是根据每个第一信息加密参数集生成的，对称密钥是信息接收端和信息发送端预先共享的，第一信息加密参数集包括表征用于公钥加密系统进行加密的多个参数。
在操作S402，根据第一目标量子态序列和待发送信息，生成编码信息。
在操作S403，将编码信息发送至信息接收端，以使得信息接收端根据对称密钥，从编码信息中确定待发送信息。
根据本公开的实施例，信息发送端将待发送信息和第一目标量子态序列进行编码和加密后发送至信息接收端，以完成信息发送端与信息接收端之间的通信。
根据本公开的实施例，信息发送端接收来自于信息接收端发送的第一目标量子态序列，其中，第一目标量子态序列是信息接收端利用对称密钥分别对m对公钥进行排列得到的，第一信息加密参数集是信息接收端随机生成的，m个第一量子游走线路是根据每个第一信息加密参数集生成的；根据第一目标量子态序列和待发送信息，生成编码信息；将编码信息发送至信息接收端，以使得信息接收端根据对称密钥，从编码信息中确定待发送信息，本公开通过量子游走线路处理生成的公钥被对称密钥进行加密，有效提高了量子通信的安全性。
图5示出了根据本公开实施例的第三量子游走线路的示意图。
根据本公开的实施例，根据第一目标量子态序列和待发送信息，生成编码信息，包括如下操作：
利用对称密钥对第一目标量子态序列进行还原处理，得到m对还原后的第一目标量子态序列；将待发送信息编码在m对还原后的第一目标量子态序列，得到m对编码后的第一目标量子态序列；利用第三量子游走线路处理m对编码后的第一目标量子态序列，得到m对第三目标量子态序列，其中，第三量子游走线路是根据对称密钥建立的；利用对称密钥对每对第三目标量子态序列进行处理，得到长度为2m的编码信息。
根据本公开的实施例，对称密钥可以是三元组
Figure 248080DEST_PATH_IMAGE016
，量子门生成参数
Figure DEST_PATH_IMAGE049
的值为非负整数，表示用于生成量子门的参数；而第三随机参数
Figure 504749DEST_PATH_IMAGE050
和第四随机参数
Figure DEST_PATH_IMAGE051
的值为0或1，用于表示通信双方是否交换量子态对的顺序，若值为0，则表示不交换当 前持有的量子态对，值为1则交换量子态对。
根据本公开的实施例，信息发送端根据对称密钥中的第三随机参数
Figure 295594DEST_PATH_IMAGE050
对第一目 标量子态序列进行还原处理并与待发送信息进行编码后，得到m对还原后的第一目标量子 态序列，每个第一中间量子态序列包括两个第二初始量子态位置态
Figure 776254DEST_PATH_IMAGE033
。根据 对称密钥的量子门生成参数
Figure 740799DEST_PATH_IMAGE049
准备如图5所示的第三量子游走线路，将m对还原后的第一 目标量子态序列输入至对应的第三量子游走线路，可以得到m对第三目标量子态序列，每个 第三目标量子态序列包括两个第三初始量子态位置态
Figure 129055DEST_PATH_IMAGE037
。
根据本公开的实施例，根据对称密钥中第三随机参数
Figure 744713DEST_PATH_IMAGE051
对第三目标量子态序列 进行重排，得到长度为2m的编码信息。其中，若第四随机参数
Figure 68378DEST_PATH_IMAGE052
的值为第二预设数值
Figure DEST_PATH_IMAGE053
则 保留此对第三目标量子态序列，得到子编码信息，其中，该子编码信息包括两个第三初始量 子态位置态
Figure 644853DEST_PATH_IMAGE037
，若第四随机参数
Figure 197319DEST_PATH_IMAGE052
的值为第一预设数值1则交换这一 对量子态的顺序，得到子编码信息，其中，每个子编码信息中包括两个交换顺序后的第四初 始量子态位置态
Figure 683795DEST_PATH_IMAGE054
。根据m对子编码信息生成长度为2m的编码信息。
根据本公开的实施例，利用对称密钥对第一目标量子态序列进行还原处理，得到m对还原后的第一目标量子态序列，包括如下步骤：
利用对称密钥的第三随机参数对第一目标量子态序列进行排列还原处理，得到m 对还原后的第一目标量子态序列，其中，对称密钥包括第二信息加密参数集，第二信息加密 参数集包括第三随机参数
Figure 506258DEST_PATH_IMAGE050
。
根据本公开的实施例，在对第一目标量子态序列进行排序还原时，若第三随机参 数
Figure 304450DEST_PATH_IMAGE050
的值为第二预设数值
Figure 424721DEST_PATH_IMAGE053
则保留此对量子态序列，得到第一中间量子态序列，第一中间 量子态序列包括两个第二初始量子态位置态
Figure 624758DEST_PATH_IMAGE033
，若第三随机参数
Figure 290226DEST_PATH_IMAGE050
的值为 第一预设数值1则交换这一对量子态序列的顺序，得到第一中间量子态序列，第一中间量子 态序列包括两个第一初始量子态位置态
Figure DEST_PATH_IMAGE055
。根据m对第一中间量子态序列， 生成第一目标量子态序列。
根据本公开的实施例，将待发送信息编码在m对还原后的第一目标量子态序列，得到m对编码后的第一目标量子态序列，包括如下操作：
利用第二量子门
Figure 470321DEST_PATH_IMAGE056
将待发送信息编码在m对还原后的第一目标量子态序列， 得到m对编码后的第一目标量子态序列。
根据本公开的实施例，第二量子门
Figure 4071DEST_PATH_IMAGE056
与第一量子门
Figure DEST_PATH_IMAGE057
存在对易关系。
根据本公开的实施例，待发送的信息
Figure 855352DEST_PATH_IMAGE058
通过第二量子门
Figure 19617DEST_PATH_IMAGE056
编码在还原后的第 一目标量子态序列
Figure 57981DEST_PATH_IMAGE033
上，得到编码后的第一目标量子态序列，参见公式（8） 中
Figure DEST_PATH_IMAGE059
的定义。
Figure 428044DEST_PATH_IMAGE060
（8）
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE061
是单位量子门，
Figure 337094DEST_PATH_IMAGE062
指求和运算，
Figure 609944DEST_PATH_IMAGE005
为量子系统的维度，
Figure 994658DEST_PATH_IMAGE032
代表右态矢，
Figure 870210DEST_PATH_IMAGE031
代表左态矢，
Figure 102608DEST_PATH_IMAGE006
为待发送信息，
Figure 546359DEST_PATH_IMAGE059
指编码信息的量子门。
根据本公开的实施例，利用第三量子游走线路处理m对编码后的第一目标量子态序列，得到m对第三目标量子态序列，包括如下操作：
利用对称密钥的量子门生成参数建立第三量子游走线路，其中，第二信息加密参 数集还包括量子门生成参数
Figure 28156DEST_PATH_IMAGE049
。根据第三量子门
Figure DEST_PATH_IMAGE063
和每对编码后的第一目标量子 态序列，得到m对第二中间量子态序列，其中，第三量子门与第二量子门呈不对易关系。根据 第三量子游走线路和m对第二中间量子态序列，得到m对第三目标量子态序列，
Figure 737092DEST_PATH_IMAGE064
指量子傅 里叶变换门。
根据本公开的实施例，由于第二量子门
Figure 89576DEST_PATH_IMAGE056
与第一量子门
Figure 828862DEST_PATH_IMAGE057
存在对易关系，编 码后的第一目标量子态序列上所编码的信息可能会被信道中的攻击者修改，因此加入与第 二量子门
Figure 922589DEST_PATH_IMAGE056
呈不对易关系的第三量子门
Figure 280889DEST_PATH_IMAGE063
，以提高量子通信的安全性。
根据本公开的实施例，根据对称密钥中的量子门生成参数
Figure 487880DEST_PATH_IMAGE049
准备如图5所示的第 三量子游走线路，利用第三量子门
Figure DEST_PATH_IMAGE065
和第三量子游走线路处理对应的编码后的第一 目标量子态序列，得到第三目标量子态序列，第三目标量子态序列包括两个如公式（9）所示 的第三初始量子态位置态
Figure 555324DEST_PATH_IMAGE037
。
Figure 152659DEST_PATH_IMAGE066
（9）
其中，
Figure 908125DEST_PATH_IMAGE061
是单位量子门，
Figure 235201DEST_PATH_IMAGE049
为量子门生成参数，
Figure 175344DEST_PATH_IMAGE059
指编码信息的量子门，
Figure 119029DEST_PATH_IMAGE003
为第一 随机参数，
Figure 819132DEST_PATH_IMAGE013
为第二随机参数，
Figure 438199DEST_PATH_IMAGE032
代表右态矢，
Figure 424610DEST_PATH_IMAGE031
代表左态矢，
Figure 465378DEST_PATH_IMAGE027
代表克罗内克积符号。
图6示出了根据本公开的实施例的应用于信息接收端的量子通信装置的框图。
如图6所示，基于离散量子游走公钥加密系统的量子通信装置600，包括第一生成模块610、第二生成模块620、排列模块630、第一传输模块640和第一确定模块650。
第一生成模块610，用于根据随机生成的m个第一信息加密参数集，生成m个第一量子游走线路，其中，m个第一信息加密参数集与m个第一量子游走线路一一对应，m为大于或者等于1的整数，第一信息加密参数集包括用于公钥加密系统进行加密的多个参数。
第二生成模块620，用于根据m个第一信息加密参数集和m个第一量子游走线路，生成m对量子态序列，并将其确定为m对公钥。
排列模块630，用于利用对称密钥对m对公钥进行排列，得到长度为2m的第一目标量子态序列，其中，对称密钥是信息接收端和信息发送端预先设置的。
第一传输模块640，用于将第一目标量子态序列传输至信息发送端，以使得信息发送端根据第一目标量子态序列和待发送信息，生成编码信息。
第一确定模块650，用于根据对称密钥，从来自信息发送端的编码信息中确定待发送信息。
根据本公开的实施例，信息接收端根据随机生成的m个第一信息加密参数集，生成m个第一量子游走线路；根据m个第一信息加密参数集和m个第一量子游走线路，生成m对量子态序列，并将其确定为m对公钥；利用对称密钥对m对公钥进行排列，得到长度为2m的第一目标量子态序列；将第一目标量子态序列传输至信息发送端，以使得信息发送端根据第一目标量子态序列和待发送信息，生成编码信息；根据对称密钥，从来自信息发送端的编码信息中确定待发送信息，本公开通过量子游走线路处理生成的公钥被对称密钥进行加密，有效提高了量子通信的安全性。
根据本公开的实施例，第一信息加密参数集包括使用次数参数和量子门构造参数，使用次数参数表征第一量子门在第一量子游走线路中的使用次数。
根据本公开的实施例，第一生成模块610包括第一确定单元和第一构建单元。
第一确定单元，用于根据每个第一信息加密参数集中的使用次数参数和量子门构造参数，确定与第一信息加密参数集对应的第一量子门。
第一构建单元，用于根据每个第一量子门和与第一量子门对应的使用次数参数，构建与量子门对应的第一量子游走线路。
根据本公开的实施例，第一信息加密参数集还包括第一随机参数和第二随机参数。
根据本公开的实施例，第二生成模块620包括第二确定单元、第一生成单元和第三确定单元。
第二确定单元，用于针对每个第一信息加密参数集，根据第一随机参数和第二随机参数确定量子态位置态和硬币比特。
第一生成单元，用于根据量子态位置态、硬币比特和与第一信息加密参数集对应的第一量子游走线路，生成一对量子态序列。
第三确定单元，用于将与m个第一信息加密参数集对应的m对量子态序列，确定为公钥。
根据本公开的实施例，对称密钥包括第二信息加密参数集，第二信息加密参数集包括第三随机参数，第二信息加密参数集包括用于公钥加密系统进行加密的多个参数。
根据本公开的实施例，排列模块630包括排列单元、第四确定单元和第二生成单元。
排列单元，用于针对每对公钥，在确定第三随机参数为第一预设数值的情况下，将公钥的参数进行重新排列，得到一对第一中间量子态序列。
第四确定单元，用于在确定第三随机参数为第二预设数值的情况下，将公钥确定为一对第一中间量子态序列。
第二生成单元，用于根据m对第一中间量子态序列，生成第一目标量子态序列。
根据本公开的实施例，第一确定模块650包括第一得到单元、第二构建单元、第二得到单元和第五确定单元。
第一得到单元，用于根据编码信息和对称密钥，得到第二目标量子态序列。
第二构建单元，用于根据对称密钥和与第二目标量子态序列对应的第一信息加密参数集，构建第二量子游走线路；
第二得到单元，用于根据第二量子游走线路和第二目标量子态序列，得到测量结果。
第五确定单元，用于根据测量结果确定待发送信息。
根据本公开的实施例，第二得到单元包括第一还原子单元和测量子单元。
第一还原子单元，用于利用第二量子游走线路对第二目标量子态序列进行还原，得到还原后的第二目标量子态序列。
测量子单元，用于利用测量基对还原后的第二目标量子态序列进行测量，得到测量结果。
根据本公开的实施例，量子通信装置600还包括对比模块、第二确定模块和第三确定模块。
对比模块，用于利用检验硬币比特与待解析的硬币比特进行对比，得到对比结果。
第二确定模块，用于在对比结果表明检验硬币比特与待解析的硬币比特一致的情况下，将量子通信方法使用的信道确定为安全信道。
第三确定模块，用于在对比结果表明检验硬币比特与待解析的硬币比特不一致的情况下，将量子通信方法使用的信道确定为危险信道。
图7示出了根据本公开的实施例的应用于信息发送端的量子通信装置的框图。
如图7所示，基于离散量子游走公钥加密系统的量子通信装置700，包括接收模块710、第三生成模块720和第二传输模块730。
接收模块710，用于接收来自于信息接收端发送的第一目标量子态序列，其中，第一目标量子态序列是信息接收端利用对称密钥分别对m对公钥进行排列得到的，m对公钥是根据每个第一信息加密参数集和与第一信息加密参数集对应的第一量子游走线路确定的，第一信息加密参数集是信息接收端随机生成的，m个第一量子游走线路是根据每个第一信息加密参数集生成的，对称密钥是信息接收端和信息发送端预先共享的，第一信息加密参数集包括用于公钥加密系统进行加密的多个参数。
第三生成模块720，用于根据第一目标量子态序列和待发送信息，生成编码信息。
第二传输模块730，用于将编码信息发送至信息接收端，以使得信息接收端根据对称密钥，从编码信息中确定待发送信息。
根据本公开的实施例，信息发送端接收来自于信息接收端发送的第一目标量子态序列，其中，第一目标量子态序列是信息接收端利用对称密钥分别对m对公钥进行排列得到的，第一信息加密参数集是信息接收端随机生成的，m个第一量子游走线路是根据每个第一信息加密参数集生成的；根据第一目标量子态序列和待发送信息，生成编码信息；将编码信息发送至信息接收端，以使得信息接收端根据对称密钥，从编码信息中确定待发送信息，本公开通过量子游走线路处理生成的公钥被对称密钥进行加密，有效提高了量子通信的安全性。
根据本公开的实施例，第三生成模块720包括还原单元、第三得到单元、第四得到单元和第五得到单元。
还原单元，用于利用对称密钥对第一目标量子态序列进行还原处理，得到m对还原后的第一目标量子态序列。
第三得到单元，用于将待发送信息编码在m对还原后的第一目标量子态序列，得到m对编码后的第一目标量子态序列。
第四得到单元，用于利用第三量子游走线路处理m对编码后的第一目标量子态序列，得到m对第三目标量子态序列，其中，第三量子游走线路是根据对称密钥建立的。
第五得到单元，用于利用对称密钥对每对第三目标量子态序列进行处理，得到长度为2m的编码信息。
根据本公开的实施例，还原单元包括第二还原子单元。
第二还原子单元，用于利用对称密钥的第三随机参数对第一目标量子态序列进行排列还原处理，得到m对还原后的第一目标量子态序列，其中，对称密钥包括第二信息加密参数集，第二信息加密参数集包括第三随机参数。
根据本公开的实施例，第三得到单元包括第一得到子单元。
第一得到子单元，用于利用第二量子门将待发送信息编码在m对还原后的第一目标量子态序列，得到m对编码后的第一目标量子态序列。
根据本公开的实施例，第四得到单元包括建立子单元、第二得到子单元和第三得到子单元。
建立子单元，用于利用对称密钥的量子门生成参数建立第三量子游走线路，其中，第二信息加密参数集还包括量子门生成参数。
第二得到子单元，用于根据第三量子门和每对编码后的第一目标量子态序列，得到m对第二中间量子态序列，其中，第三量子门与第二量子门呈不对易关系。
第三得到子单元，用于根据第三量子游走线路和m对第二中间量子态序列，得到m对第三目标量子态序列。
根据本公开的实施例的模块、单元、子单元中的任意多个、或其中任意多个的至少部分功能可以在一个模块中实现。根据本公开实施例的模块、单元、子单元中的任意一个或多个可以被拆分成多个模块来实现。根据本公开实施例的模块、单元、子单元中的任意一个或多个可以至少被部分地实现为硬件电路，例如现场可编程门阵列（Field ProgrammableGate Array ，FPGA）、可编程逻辑阵列（Programmable Logic Arrays ，PLA）、片上系统、基板上的系统、封装上的系统、专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC），或可以通过对电路进行集成或封装的任何其他的合理方式的硬件或固件来实现，或以软件、硬件以及固件三种实现方式中任意一种或以其中任意几种的适当组合来实现。或者，根据本公开实施例的模块、单元、子单元中的一个或多个可以至少被部分地实现为计算机程序模块，当该计算机程序模块被运行时，可以执行相应的功能。
例如，第一生成模块610、第二生成模块620、排列模块630、第一传输模块640和第一确定模块650，或接收模块710、第三生成模块720和第二传输模块730中的任意多个可以合并在一个模块/单元/子单元中实现，或者其中的任意一个模块/单元/子单元可以被拆分成多个模块/单元/子单元。或者，这些模块/单元/子单元中的一个或多个模块/单元/子单元的至少部分功能可以与其他模块/单元/子单元的至少部分功能相结合，并在一个模块/单元/子单元中实现。根据本公开的实施例，第一生成模块610、第二生成模块620、排列模块630、第一传输模块640和第一确定模块650，或接收模块710、第三生成模块720和第二传输模块730中的至少一个可以至少被部分地实现为硬件电路，例如现场可编程门阵列（FPGA）、可编程逻辑阵列（PLA）、片上系统、基板上的系统、封装上的系统、专用集成电路（ASIC），或可以通过对电路进行集成或封装的任何其他的合理方式等硬件或固件来实现，或以软件、硬件以及固件三种实现方式中任意一种或以其中任意几种的适当组合来实现。或者，第一生成模块610、第二生成模块620、排列模块630、第一传输模块640和第一确定模块650，或接收模块710、第三生成模块720和第二传输模块730中的至少一个可以至少被部分地实现为计算机程序模块，当该计算机程序模块被运行时，可以执行相应的功能。
需要说明的是，本公开的实施例中量子通信装置部分与本公开的实施例中量子通信方法部分是相对应的，量子通信装置部分的描述具体参考量子通信方法部分，在此不再赘述。
图8示出了根据本公开实施例的适于实现上文描述的方法的电子设备的框图。图8示出的电子设备仅仅是一个示例，不应对本公开实施例的功能和使用范围带来任何限制。
如图8所示，根据本公开实施例的电子设备800包括处理器801，其可以根据存储在只读存储器（Read-Only Memory，ROM）802中的程序或者从存储部分808加载到随机访问存储器（Random Access Memory，RAM）803中的程序而执行各种适当的动作和处理。处理器801例如可以包括通用微处理器（例如CPU）、指令集处理器和/或相关芯片组和/或专用微处理器（例如，专用集成电路（ASIC）），等等。处理器801还可以包括用于缓存用途的板载存储器。处理器801可以包括用于执行根据本公开实施例的方法流程的不同动作的单一处理单元或者是多个处理单元。
在RAM 803中，存储有电子设备800操作所需的各种程序和数据。处理器 801、ROM802以及RAM 803通过总线804彼此相连。处理器801通过执行ROM 802和/或RAM 803中的程序来执行根据本公开实施例的方法流程的各种操作。需要注意，程序也可以存储在除ROM802和RAM 803以外的一个或多个存储器中。处理器801也可以通过执行存储在一个或多个存储器中的程序来执行根据本公开实施例的方法流程的各种操作。
根据本公开的实施例，电子设备800还可以包括输入/输出（I/O）接口805，输入/输出（I/O）接口805也连接至总线804。系统800还可以包括连接至I/O接口805的以下部件中的一项或多项：包括键盘、鼠标等的输入部分806；包括诸如阴极射线管（CRT）、液晶显示器（Liquid Crystal Display，LCD）等以及扬声器等的输出部分807；包括硬盘等的存储部分808；以及包括诸如LAN卡、调制解调器等的网络接口卡的通信部分809。通信部分809经由诸如因特网的网络执行通信处理。驱动器810也根据需要连接至I/O接口805。可拆卸介质811，诸如磁盘、光盘、磁光盘、半导体存储器等等，根据需要安装在驱动器810上，以便于从其上读出的计算机程序根据需要被安装入存储部分808。
根据本公开的实施例，根据本公开实施例的方法流程可以被实现为计算机软件程序。例如，本公开的实施例包括一种计算机程序产品，其包括承载在计算机可读存储介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信部分809从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质811被安装。在该计算机程序被处理器801执行时，执行本公开实施例的系统中限定的上述功能。根据本公开的实施例，上文描述的系统、设备、装置、模块、单元等可以通过计算机程序模块来实现。
本公开还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质可以是上述实施例中描述的设备/装置/系统中所包含的；也可以是单独存在，而未装配入该设备/装置/系统中。上述计算机可读存储介质承载有一个或者多个程序，当上述一个或者多个程序被执行时，实现根据本公开实施例的方法。
根据本公开的实施例，计算机可读存储介质可以是非易失性的计算机可读存储介质。例如可以包括但不限于：便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、可擦式可编程只读存储器（EPROM（Erasable Programmable Read Only Memory，EPROM）或闪存）、便携式紧凑磁盘只读存储器（Computer Disc Read-Only Memory，CD-ROM）、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本公开中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。
例如，根据本公开的实施例，计算机可读存储介质可以包括上文描述的ROM 802和/或RAM 803和/或ROM 802和RAM 803以外的一个或多个存储器。
本公开的实施例还包括一种计算机程序产品，其包括计算机程序，该计算机程序包含用于执行本公开实施例所提供的方法的程序代码，当计算机程序产品在电子设备上运行时，该程序代码用于使电子设备实现本公开实施例所提供的基于离散量子游走公钥加密系统的量子通信方法。
在该计算机程序被处理器801执行时，执行本公开实施例的系统/装置中限定的上述功能。根据本公开的实施例，上文描述的系统、装置、模块、单元等可以通过计算机程序模块来实现。
在一种实施例中，该计算机程序可以依托于光存储器件、磁存储器件等有形存储介质。在另一种实施例中，该计算机程序也可以在网络介质上以信号的形式进行传输、分发，并通过通信部分809被下载和安装，和/或从可拆卸介质811被安装。该计算机程序包含的程序代码可以用任何适当的网络介质传输，包括但不限于：无线、有线等等，或者上述的任意合适的组合。
根据本公开的实施例，可以以一种或多种程序设计语言的任意组合来编写用于执行本公开实施例提供的计算机程序的程序代码，具体地，可以利用高级过程和/或面向对象的编程语言、和/或汇编/机器语言来实施这些计算程序。程序设计语言包括但不限于诸如Java，C++，python，“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算设备上执行、部分地在用户设备上执行、部分在远程计算设备上执行、或者完全在远程计算设备或服务器上执行。在涉及远程计算设备的情形中，远程计算设备可以通过任意种类的网络，包括局域网（LAN）或广域网（WAN），连接到用户计算设备，或者，可以连接到外部计算设备（例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接）。
附图中的流程图和框图，图示了按照本公开各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，上述模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图或流程图中的每个方框、以及框图或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。
以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。本公开的范围由所附权利要求及其等同物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。

Claims (10)

1.一种基于离散量子游走公钥加密系统的量子通信方法，应用于与信息发送端通信连接的信息接收端，其特征在于，包括：
根据随机生成的m个第一信息加密参数集，生成m个第一量子游走线路，其中，所述m个第一信息加密参数集与所述m个第一量子游走线路一一对应，m为大于或者等于1的整数，所述第一信息加密参数集包括用于公钥加密系统进行加密的多个参数；
根据所述m个第一信息加密参数集和所述m个第一量子游走线路，生成m对量子态序列，并将其确定为m对公钥；
利用对称密钥对所述m对公钥进行排列，得到长度为2m的第一目标量子态序列，其中，所述对称密钥是所述信息接收端和所述信息发送端预先设置的；
将所述第一目标量子态序列传输至所述信息发送端，以使得所述信息发送端根据所述第一目标量子态序列和待发送信息，生成编码信息；
根据所述对称密钥，从来自所述信息发送端的所述编码信息中确定所述待发送信息。
2.根据权利要求1所述的量子通信方法，其特征在于，所述第一信息加密参数集包括使用次数参数和量子门构造参数，所述使用次数参数表征第一量子门在所述第一量子游走线路中的使用次数；
其中， 所述根据随机生成的m个第一信息加密参数集，生成m个第一量子游走线路，包括：
根据每个所述第一信息加密参数集中的所述使用次数参数和所述量子门构造参数，确定与所述第一信息加密参数集对应的所述第一量子门；
根据每个所述第一量子门和与所述第一量子门对应的所述使用次数参数，构建与所述第一量子门对应的所述第一量子游走线路；
所述第一信息加密参数集还包括第一随机参数和第二随机参数；
其中，所述根据所述m个第一信息加密参数集和所述m个第一量子游走线路，生成m对量子态序列，并将其确定为m对公钥，包括：
针对每个所述第一信息加密参数集，根据所述第一随机参数和所述第二随机参数确定量子态位置态和硬币比特；
根据所述量子态位置态、所述硬币比特和与所述第一信息加密参数集对应的所述第一量子游走线路，生成一对所述量子态序列；
将与m个所述第一信息加密参数集对应的m对量子态序列，确定为所述公钥。
3.根据权利要求1所述的量子通信方法，其特征在于，所述对称密钥包括第二信息加密参数集，所述第二信息加密参数集包括第三随机参数，所述第二信息加密参数集包括用于公钥加密系统进行加密的多个参数；
其中，所述利用对称密钥对所述m对公钥进行排列，得到长度为2m的第一目标量子态序列，包括：
针对每对公钥，在确定所述第三随机参数为第一预设数值的情况下，将所述公钥的参数进行重新排列，得到一对第一中间量子态序列；
在确定所述第三随机参数为第二预设数值的情况下，将所述公钥确定为一对第一中间量子态序列；
根据m对所述第一中间量子态序列，生成所述第一目标量子态序列。
4.根据权利要求1所述的量子通信方法，其特征在于，所述根据所述对称密钥，从来自所述信息发送端的所述编码信息中确定所述待发送信息，包括：
根据所述编码信息和所述对称密钥，得到第二目标量子态序列；
根据所述对称密钥和与所述第二目标量子态序列对应的所述第一信息加密参数集，构建第二量子游走线路；
根据所述第二量子游走线路和所述第二目标量子态序列，得到测量结果；
根据所述测量结果确定所述待发送信息。
5.根据权利要求4所述的量子通信方法，其特征在于，所述根据所述第二量子游走线路和所述第二目标量子态序列，得到测量结果，包括：
利用所述第二量子游走线路对所述第二目标量子态序列进行还原，得到还原后的第二目标量子态序列；
利用测量基对所述还原后的第二目标量子态序列进行测量，得到所述测量结果。
6.根据权利要求4或5所述的量子通信方法，其特征在于，所述测量结果如公式（1）所示，所述待发送信息如公式（2）所示：
Figure 587897DEST_PATH_IMAGE001
（1）
Figure 35058DEST_PATH_IMAGE002
（2）
其中，
Figure 101364DEST_PATH_IMAGE003
为
Figure 735608DEST_PATH_IMAGE004
的整数，
Figure 98456DEST_PATH_IMAGE005
为量子系统的维度，
Figure 728020DEST_PATH_IMAGE006
为待发送信息，
Figure 823015DEST_PATH_IMAGE007
为第一测量结 果；
Figure 803610DEST_PATH_IMAGE008
为第二测量结果，即待解析的硬币比特。
7.根据权利要求6所述的量子通信方法，其特征在于，还包括：
利用检验硬币比特与所述待解析的硬币比特进行对比，得到对比结果；
在所述对比结果表明所述检验硬币比特与所述待解析的硬币比特一致的情况下，将所述量子通信方法使用的信道确定为安全信道；
在所述对比结果表明所述检验硬币比特与所述待解析的硬币比特不一致的情况下，将所述量子通信方法使用的信道确定为危险信道。
8.一种基于离散量子游走公钥加密系统的量子通信方法，应用于与信息接收端通信连接的信息发送端，其特征在于，包括：
接收来自于所述信息接收端发送的第一目标量子态序列，其中，所述第一目标量子态序列是所述信息接收端利用对称密钥分别对m对公钥进行排列得到的，所述m对公钥是根据每个第一信息加密参数集和与所述第一信息加密参数集对应的第一量子游走线路确定的，所述第一信息加密参数集是所述信息接收端随机生成的，m个所述第一量子游走线路是根据每个所述第一信息加密参数集生成的，所述对称密钥是所述信息接收端和所述信息发送端预先共享的，所述第一信息加密参数集包括表征用于公钥加密系统进行加密的多个参数；
根据所述第一目标量子态序列和待发送信息，生成编码信息；
将所述编码信息发送至所述信息接收端，以使得所述信息接收端根据所述对称密钥，从所述编码信息中确定所述待发送信息。
9.根据权利要求8所述的量子通信方法，其特征在于，所述根据所述第一目标量子态序列和待发送信息，生成编码信息，包括：
利用所述对称密钥对所述第一目标量子态序列进行还原处理，得到m对还原后的第一目标量子态序列；
将待发送信息编码在所述m对还原后的第一目标量子态序列，得到m对编码后的第一目标量子态序列；
利用第三量子游走线路处理所述m对编码后的第一目标量子态序列，得到m对第三目标量子态序列，其中，所述第三量子游走线路是根据所述对称密钥建立的；
利用所述对称密钥对每对所述第三目标量子态序列进行处理，得到长度为2m的所述编码信息。
10.根据权利要求9所述的量子通信方法，其特征在于，
所述利用所述对称密钥对所述第一目标量子态序列进行还原处理，得到m对还原后的第一目标量子态序列，包括：
利用所述对称密钥的第三随机参数对所述第一目标量子态序列进行排列还原处理，得到所述m对还原后的第一目标量子态序列，其中，所述对称密钥包括第二信息加密参数集，所述第二信息加密参数集包括第三随机参数；
其中，所述将待发送信息编码在所述m对还原后的第一目标量子态序列，得到m对编码后的第一目标量子态序列，包括：
利用第二量子门将所述待发送信息编码在所述m对还原后的第一目标量子态序列，得到所述m对编码后的第一目标量子态序列；
其中，所述利用第三量子游走线路处理所述m对编码后的第一目标量子态序列，得到m对第三目标量子态序列，包括：
利用所述对称密钥的量子门生成参数建立所述第三量子游走线路，其中，所述第二信息加密参数集还包括所述量子门生成参数；
根据第三量子门和每对所述编码后的第一目标量子态序列，得到m对第二中间量子态序列，其中，所述第三量子门与所述第二量子门呈不对易关系；
根据所述第三量子游走线路和m对所述第二中间量子态序列，得到m对所述第三目标量子态序列。
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