CN118074892A - 一种基于诱饵态的隐蔽量子密钥分发方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于诱饵态的隐蔽量子密钥分发方法，方法包括：基于诱饵态在发送方处制备多种强度不同的脉冲，并将脉冲中的光子偏振为X基与Z基；接收方通过两个单光子检测器检测传输光子；双方使用认证后的经典隐蔽信道共享脉冲强度信息；接收方根据检测结果与共享结果进行参数估计的计算式；接收者以监控者对隐蔽量子密钥分发的检测偏差作为密钥分发是否隐蔽的性能指标；对原始密钥进行纠错并使用双通用哈希函数提取最终密钥以及密钥长度的计算式。本发明解决了监控者可以借助噪声以及不完美设备对传统量子密钥分发进行攻击的问题，实现了不被监控者检测的量子密钥分发并且能生成比传统量子密钥分发更高的密钥率。

Description

一种基于诱饵态的隐蔽量子密钥分发方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，特别是涉及一种基于诱饵态的隐蔽量子密钥分发方法。

背景技术

随着第五代(5G)和即将到来的第六代(6G)通信终端设备的发展，现代社会越来越依赖于信息传输，同时信息安全相关问题也越来越成为不容忽视的关键。量子密钥分发协议作为一种新兴的安全传输解决方案能够实现理论上无条件安全的密钥分发。然而在高损耗信道以及非理想的单光子源等不完美设备的场景下，传统的量子密钥分发存在被监控者破坏的风险，并且密钥分发行为本身就会向监控者暴露通信的存在，从而造成安全隐患。

因此，亟需解决量子密钥分发不被监控者检测到，以及更为高效的隐蔽信息传输距离和通信系统隐蔽率的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于诱饵态的隐蔽量子密钥分发方法，利用多种强度的脉冲作为诱饵信号来抵御监视者的攻击，通过控制脉冲数降低监控者对传输的检测偏差，实现不被监控者检测的量子密钥分发，并且有效提高了隐蔽信息传输距离和通信系统隐蔽率。

实现本发明目的的技术解决方案为：本发明提供一种基于诱饵态的隐蔽量子密钥分发方法，步骤如下：

步骤1：发送方准备：

步骤1-1：发送方通过遗传算法确定当前通信距离下的脉冲强度和所述脉冲强度对应的选择概率；

步骤1-2：所述选择概率制备四种强度的脉冲，其中强度最大的脉冲中的光子偏振在Z基，强度最小的脉冲中的光子随机偏振在Z基或X基，其余两种脉冲中的光子偏振方向不同，其一选择Z基，另一个选择X基；

步骤1-3：发送方共发送多个脉冲，将隐蔽信息编码在偏振为Z基的脉冲中，并通过有损热噪声玻色子信道发送给接收方；

步骤2：接收方测量和筛选：

步骤2-1：接收方通过随机概率选择Z基或X基的单光子检测器对接收到的脉冲进行测量，并记录测量结果；

步骤2-2：接收方在所述测量结果中筛选Z基偏振中固定长度的比特串和X基偏振中固定长度的比特串；

步骤3：发送方和接收方通过一个经过双方认证的隐蔽信道共享所述步骤2-2的比特串，并根据发送方的强度信息得到偏振在Z基的各强度脉冲的比特串和偏振在X基的各强度脉冲的比特错误数，计算所述比特串和比特错误数的标准差的上下界；

步骤4：接收方根据所述标准差的上下界估计Z基偏振的真空事件数、Z基和X基偏振的单光子事件数和Z基偏振的相位错误率；

步骤5：接收方判断窃听者对当前密钥分配的检测偏差是否在容忍范围，是则本次量子密钥分发被视为是隐蔽的，否则立即停止隐蔽量子密钥分发；

步骤6：生成密钥：

步骤6-1：接收方向发送方揭露量子比特数来执行纠错；

步骤6-2：纠错完成后接收方与发送方确认双方原始密钥的正确性；

步骤6-3：接收方通过两个通用哈希函数从原始密钥中提取一个最短量子隐蔽密钥。

与现有技术相比，本发明的显著进步在于：1)本发明通过利用诱饵态方法克服光子数分裂攻击，避免了设备缺陷带来的安全隐患，同时提高了有效的密钥分发距离与密钥率；2)本发明利用多强度脉冲与环境热噪声辅助改进量子密钥分发系统，实现不被监视者检测的隐蔽量子密钥分发系统。

为更清楚说明本发明的功能特性以及结构参数，下面结合附图及具体实施方式进一步说明。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明提出的量子隐蔽通信系统模型图。

图2是本发明提出的量子信道模型图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明使用诱饵态配合环境热噪声在有损玻色子信道上实现隐蔽量子密钥分发，在监视者存在的情况下，以一种不可被检测的方式进行量子密钥分发，具体内容如下：

步骤1：发送方准备：

步骤1-1：发送方使用遗传算法优化确定在双方通信距离为L时能够最大化密钥率的四种脉冲的强度μ，v₁，v₂，ω和对应选择选择将脉冲制备为这些强度的概率P_ω，P_μ，其中，这些脉冲强度满足μ＞v₁+ω，v₁＞ω≥0和v₂＞ω≥0且概率满足

步骤1-2：发送方将强度为μ和v₁的脉冲中的光子偏振在Z基，强度为v₂的脉冲中的光子偏振在X基，强度为ω的脉冲中的光子随机偏振在Z基和X基；

步骤1-3：发送方共发送N个脉冲，将隐蔽信息编码在Z基偏振的脉冲中，随后通过有损玻色子信道发送给接收方。有损玻色子信道模型如图2所示，表示发送方输入的光子，/>表示接收方接收的光子，/>表示环境热噪声输入信道的光子，/>表示监视者捕获的光子；信道的衰落被建模为透射率为0.5的分束器，加性噪声为高斯噪声，此时发送方输入与接收方接收的关系满足/> 在有损玻色子信道中，监视者可以访问除了热噪声以外的所有资源，热噪声由黑体辐射等环境源产生，其量子态表示为/>其中/>表示热噪声每种偏振的平均光子数；在有损玻色子信道中，发送方发送的激光脉冲中的光子与环境热噪声中的光子在分束器处混合后被接收方接收。

步骤2：接收方测量和筛选：

步骤2-1：接收方收到发送的消息后，随机选择检测Z基或检测X基的单光子检测器来测量发送方发送的脉冲，其选择概率分别为P_z和P_X＝1-P_z。单光子检测器只能在当前测量的基础上检测信号，其探测效率为10％，此时总接收效率为0.05。在单光子检测器测量完成后，接收方记录测量结果。

步骤2-2：接收方根据测量结果筛选出在Z基偏振的总长度为n^z的比特串和在X基偏振的总长度为n^X的比特串。

步骤3：在接收方测量完成后，双方通过一个经过双方认证的隐蔽信道共享所述步骤2-2筛选出的比特串，并根据发送方的强度信息得到共享的比特串中Z基偏振且强度为k₁的脉冲的比特串和X基偏振且强度为k₂的脉冲的比特错误数/>其中k₁∈{μ，v₁，ω}，k₂∈{v₂，ω}，X基偏振的比特串的总比特错误数为mx，可计算为/>计算所述比特串和比特错误数的标准差上下界：

其中，和/>分别为接收方共享的Z基偏振且强度为k₁的比特串长度的标准差上下界和X基偏振且强度为k₂的比特错误数的标准差上下界，/>和/>是选择对应强度的脉冲的概率，P_Z为接收方选择检测Z基的单光子检测器来测量发送方发送的脉冲的概率，P_X为接收方选择检测X基的单光子检测器来测量发送方发送的脉冲的概率。

步骤4：接收方参数估计：

步骤4-1：计算测量Z基偏振的单光子检测器检测的真空事件数

其中，为发送方发送的偏振在Z基的脉冲中有0个光子的概率，是步骤1-1中选择强度为k₁∈{μ，v₁，ω}的脉冲的概率，P_Z为接收方选择Z基偏振的单光子检测器测量的概率。

步骤4-2：计算测量Z基偏振的单光子检测器检测的单光子事件数

其中，发送方发送的偏振在Z基的脉冲中有1个光子的概率，/>和/>为Z基偏振强度为v₁的比特串的标准差下界和Z基偏振强度为ω的比特串的标准差上界。

步骤4-3：计算检测X基的单光子检测器的单光子事件数

其中，N为发送方发送的脉冲总数，为发送方发送的偏振在X基的脉冲中有1个光子的概率，P_X为接收方选择检测X基的单光子检测器测量的概率，P_Z为接收方选择检测Z基的单光子检测器测量的概率，/>为无替换随机抽样方法的估计误差。

步骤4-4：计算相位错误率相位错误会导致传输的光子不为Z基偏振，如下式所示：

其中，为发送方发送的偏振在X基的脉冲中有1个光子的概率，/>和/>分别为X基偏振且强度为v₂的比特错误数的上界和X基偏振且强度为ω的比特错误数的下界，/>为超几何分布近似的估计误差。

步骤5：接收方模拟监视者对隐蔽量子密钥分发行为进行假设检验的检测行为，分别约定发送方与接收方没有量子密钥分发的假设为H₀和发送方与接收方进行隐蔽密钥分发的假设为H₁，此时监视者的虚警概率为P_FA＝P(H₁|H₀)，漏检概率为P_MD＝P(H₀|H₁)，在无先验信息的情况下，监视者的检测错误概率为/>此时接收方需要使监视者对本次量子密钥分发的检测错误概率保持在/>δ为监视者的检测偏差，接收方需要将δ控制在足够小的范围内，来避免监视者检测到通信的发生，当检测偏差δ的大小可以被双方容忍的情况下，此次量子密钥分发被视为隐蔽的；

监视者对本发明中基于诱饵态的隐蔽量子密钥分发的检测偏差δ为：

其中，P_μ、分别为发送方制备的脉冲强度为μ、v₁和v₂的概率，/>为有损热噪声玻色子信道环境热噪声的平均光子数；

当δ≤0.005时密钥被视为隐蔽，进行步骤6；

当δ＞0.005时立即停止隐蔽量子密钥分发。

步骤6：生成密钥：

步骤6-1：接收方向发送方揭露λ_Ec位的量子比特来执行纠错步骤，λ_Ec根据传输信息的冗余等决定，可被估计为λ_Ec＝1.16H(m^X/(n^z+m^X)，H(m^X/(n^z+m^X)为平均比特错误率的香农熵；

步骤6-2：在纠错完成后接收方与发送方再次确认双方原始密钥的正确性；

步骤6-3：接收方使用两个通用的哈希函数从原始密钥中提取一个更短，质量更好的密钥串，最终提取的密钥串的长度l被计算为：

H(x)为二进制香农熵。

需要说明的是，在本文中，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。

尽管已经示出和描述了本发明的具体实施方式，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对具体实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种基于诱饵态的隐蔽量子密钥分发方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：发送方准备：

步骤1-1：发送方通过遗传算法确定当前通信距离下的脉冲强度和所述脉冲强度对应的选择概率；

步骤1-2：所述选择概率制备四种强度的脉冲，其中强度最大的脉冲中的光子偏振在Z基，强度最小的脉冲中的光子随机偏振在Z基或X基，其余两种脉冲中的光子偏振方向不同，其一选择Z基，另一选择X基；

步骤1-3：发送方共发送多个脉冲，将隐蔽信息编码在偏振为Z基的脉冲中，并通过有损热噪声玻色子信道发送给接收方；

步骤2：接收方测量和筛选：

步骤2-1：接收方通过随机概率选择Z基或X基的单光子检测器对接收到的脉冲进行测量，并记录测量结果；

步骤2-2：接收方在所述测量结果中筛选Z基偏振中固定长度的比特串和X基偏振中固定长度的比特串；

步骤3：发送方和接收方通过经双方认证的隐蔽信道共享所述步骤2-2的比特串，并根据发送方的强度信息得到偏振在Z基的各强度脉冲的比特串和偏振在X基的各强度脉冲的比特错误数，计算所述比特串和比特错误数的标准差的上下界；

步骤4：接收方根据所述标准差的上下界估计Z基偏振的真空事件数、Z基和X基偏振的单光子事件数和Z基偏振的相位错误率；

步骤5：接收方判断窃听者对当前密钥分配的检测偏差是否在容忍范围，是则本次量子密钥分发被视为是隐蔽的，否则立即停止隐蔽量子密钥分发；

步骤6：生成密钥：

步骤6-1：接收方向发送方揭露量子比特数来执行纠错；

步骤6-2：纠错完成后接收方与发送方确认双方原始密钥的正确性；

步骤6-3：接收方通过两个通用哈希函数从原始密钥中提取最短量子隐蔽密钥。

2.根据权利要求1所述的基于诱饵态的隐蔽量子密钥分发方法，其特征在于，所述步骤1-1中双方通信距离为L时能获得四种脉冲强度μ，v₁，v₂，ω与其对应强度脉冲的被选择制备的概率P_ω，P_μ；所述脉冲强度满足μ>v₁+ω；v₁>ω≥0；v₂>ω≥0，所述概率满足

3.根据权利要求2所述的基于诱饵态的隐蔽量子密钥分发方法，其特征在于，所述步骤1-2中发送方将强度为μ和v₁的脉冲中的光子偏振在Z基，强度为v₂的脉冲中的光子偏振在X基，强度为ω的脉冲中的光子随机偏振在Z基或X基。

4.根据权利要求3所述的基于诱饵态的隐蔽量子密钥分发方法，其特征在于，所述步骤1-3当发送方的输入与接收方的接收关系满足有损玻色子信道模型：

其中，为发送方输入的光子，/>为接收方接收的光子，/>为环境热噪声输入信道的光子，η为信道的衰落被建模成分束器的透射率。

5.根据权利要求1所述的基于诱饵态的隐蔽量子密钥分发方法，其特征在于，所述步骤2-1的随机选择概率分别为P_Z和P_X＝1-P_Z。

6.根据权利要求1或5所述的基于诱饵态的隐蔽量子密钥分发方法，其特征在于，所述步骤2-2中检测结果中选择在Z基偏振的总长度为n^z的比特串和在X基偏振的总长度为n^X的比特串。

7.根据权利要求6所述的基于诱饵态的隐蔽量子密钥分发方法，其特征在于，所述步骤3中根据发送方的强度信息得到共享的比特串中Z基偏振且强度为k₁的脉冲的比特串和X基偏振且强度为k₂的脉冲的比特错误数/>k₁∈{μ，v₁，ω}，k_z∈{v₂，ω}；

计算所述比特串和比特错误数的标准差上下界：

其中，和/>分别为接收方共享的Z基偏振的比特串长度的标准差上下界和X基偏振的比特错误数的标准差上下界，/>和/>为选择对应强度的脉冲的概率。

8.根据权利要求7所述的基于诱饵态的隐蔽量子密钥分发方法，其特征在于，所述步骤4为：

步骤4-1：计算真空事件数

其中，为发送方发送的偏振在Z基的脉冲中有0个光子的概率，/>和/>为Z基偏振强度为ω的比特串的标准差下界和Z基偏振强度为v₁的比特串的标准差上界；

步骤4-2：接收方利用真空事件数计算测量Z基偏振的单光子检测器检测的单光子事件数

其中，为发送方发送的偏振在Z基的脉冲中有1个光子的概率，/>和/>为Z基偏振强度为v₁的比特串的标准差下界和Z基偏振强度为ω的比特串的标准差上界；

步骤4-3：计算检测X基的单光子检测器的单光子事件数

其中，N为发送方发送的脉冲总数，为发送方发送的偏振在X基的脉冲中有1个光子的概率，P_X为接收方选择检测X基的单光子检测器测量的概率，P_Z为接收方选择检测Z基的单光子检测器测量的概率；

步骤4-4：计算相位错误率

其中，和/>分别为X基偏振且强度为v₂的比特错误数的上界和X基偏振且强度为ω的比特错误数的下界，/>为发送方发送的偏振在X基的脉冲中有1个光子的概率。

9.根据权利要求8所述的基于诱饵态的隐蔽量子密钥分发方法，其特征在于，所述步骤5中的检测偏差δ计算为：

其中，P_μ、分别表示发送方制备的脉冲强度为μ、v₁和v₂的概率，/>表示有损热噪声玻色子信道的环境热噪声的平均光子数；

当δ≤0.005时密钥被视为隐蔽；

当δ>0.005时立即停止隐蔽量子密钥分发。

10.根据权利要求9所述的基于诱饵态的隐蔽量子密钥分发方法，其特征在于，所述步骤5中提取的密钥串的长度l为：

其中，λ_EC为纠错揭露的量子比特数，H(x)为二进制香农熵。