CN1447558A - 一种实现安全通信的量子加密方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种实现安全通信的量子加密方法，以解决现有量子密钥发布技术中内容不可控以及现有加密协议安全性较差等问题，首先发送方将源比特流分区，并进行区级的容错编码和区内的纠错编码；将编码后的比特流映射为光子序列，通过量子信道传送一定长度的光子子序列；发送方和接收方再利用经典信道验证本次量子通信是否被侦听，若被侦听则认为量子信道不安全，终止发送；若没有，则继续前述步骤，直至光子序列全部发送完毕；发送方宣布每个编码区的制备基，接收方恢复源比特流。本发明采用与量子密钥发布技术相同的信道结构，结合两类经典的编码方法，实现了安全通信；可有效判定经某种经典编码方法处理过的编码数据在传送过程中是否曾被侦听。

Description

一种实现安全通信的量子加密方法

技术领域：

本发明涉及信息加密领域，具体地说，涉及实现安全通信的量子加密方法。

背景技术：

信息安全技术在军事、外交、商业、证券等传统领域，以及电子商务、虚拟私有网络等新兴领域都有广阔的应用。保护专有信息的安全性，关系到个人私有财产、企业商业机密、正常的贸易秩序乃至国家安全。信息的交互性决定了信息安全必须在动态的通信状态中才有意义，这一目的是通过通信加密协议实现的。

目前通用的通信加密协议，主要分密钥加密和公钥加密两类。所说的密钥协议或公钥协议是针对加密钥而言的，如果加密钥是保密的，就是密钥协议，其解密钥与加密钥相同；反之则是公钥协议，其解密钥与加密钥不同。无论对于哪类协议，解密钥都必须是保密的。

但是，这两类协议都存在着共同的安全隐患。

首先，这两类协议的安全性都依赖于假设某种算法具有较高的计算复杂性，如指数复杂性，但是这种假设通常并非严格有效的。例如，广泛采用的密钥加密协议DES实际上是易于破解的，这在密码学界几乎尽人皆知。而另一种流行的公钥加密协议RSA也可以被破解。一般地说，计算复杂性反映的是某种“最坏可能”下的计算开销。而有大量文献一致地表明，NP(非确定图灵机多项式)问题算法的计算开销经常具有高度的可变性，如计算开销的概率分布具有重尾特性；计算开销易受到问题实例的某些参数的影响(称为相迁移)。计算开销的高可变性暗示了可能存在能有效求解“困难”问题的某些特殊的经典算法，这在一定程度上解释了流行加密协议被破解的原因。进一步地说，如果考虑到预期中的量子计算设备，依赖计算复杂性的加密协议在未来的地位是很值得可疑的。例如，Shor的量子因子分解算法的计算开销是多项式的，可以轻易地破解RSA的密钥。

其次，密钥在发布、存储期间，可能会由于不安全的网络环境而被泄漏。第三，由不可靠供应商所提供的加密系统可能会存在后门。现有加密协议算法复杂，系统各组分之间耦合紧密，如果存在安全后门，很难被发现，造成加密系统的不安全性。

为了解决秘钥发布的安全性问题，二十世纪80年代中期，出现了量子密钥发布技术，它利用了量子力学的基本原理：量子系统对于测量的不可逆性。一般地说，就是对量子系统的测量将使决定系统状态的波函数发生塌缩，导致不可逆的信息丢失。利用这种不可逆性，能够以任意的统计显著性检测到任何可能存在的非法侦听者，从而实现无条件安全的密钥发布。

下面介绍量子比特的定义以及量子密钥发布机制的基本原理。

量子比特是二维复内积空间中某组标准正交基的线性组合，一个量子比特可记为a|0＞+b|1＞，这里a、b是两个复数，且有|a|²+|b|²＝1；|0＞和|1＞分别表示二维复向量空间的两个标准正交的基向量。量子力学的测量是一个概率事件，测量将使量子比特的状态以特定的概率塌缩到测量所用的基向量或与其正交的基向量之上。

在量子加密中，通常以光子的偏振作为量子比特的物理实现。量子密钥发布需要两组不同的制备基：{|0°＞，|90°＞}和{|45°＞，|135°＞}。根据量子力学原则，可以得到：

这样，用测量基|0°＞或|90°＞测量本征偏振为|45°＞或|135°＞的光子，将以等概率获得测量结果|0°＞或|90°＞，并使被测光子的本征偏振相应地成为|0°＞或|90°＞；同样，用测量基|45°＞或|135°＞测量本征偏振为|0°＞或|90°＞的光子，将以等概率获得测量结果|45°＞或|135°＞，并使被测光子的偏振相应地成为|45°＞或|135°＞。由于测量的过程不可避免地使光子的偏振塌缩为两个测量基之一，所以测量过程实际上也是制备具有特定偏振方向的光子的过程。

量子秘钥发布方法是由Bennet和Brassard在1984年提出的，以下简称该方法为BB84。图1是BB84方法的信道结构示意图，包括发送方、接收方和侦听方，且发送方与接收方之间通过经典信道和量子信道连接。经典信道可能被侦听，但不会被阻塞，即侦听方可以窃听到合法的发送方和接收方之间的通信，但是无法屏蔽或修改通信内容。而量子信道既可能被侦听，也可能被阻塞。不可阻塞的经典信道可以防止伪装侦听，即侦听方屏蔽发送方和接收方之间所有的通信，依照约定的秘钥发布协议，伪装成合法接收者获取密钥。在伪装侦听的情况下，除非密钥的发送方和接收方之间预先约定某种识别标识，否则发送方无法区分伪装侦听方与合法接收方。需要指出的是，绝对不可阻塞的信道实际上并不存在，但是确实有一些相对较可靠的近似不可阻塞信道，例如在开放空间中传播的无线广播和无线电报、微波卫星通信和可靠的电话网PSTN等。在图1中，粗水平线表示不可阻塞的经典信道，细水平线表示可阻塞的量子信道；垂直线表示侦听方建立的非法信道；箭头表示了信息流的方向。

如图2所示，在进行量子密钥发布时，首先发送方和接收方商定一个最大可接受误差率，如误差率为1％；发送方通过量子信道向接收方发送一个光子序列，其中每个光子的偏振方向从|0°＞(以

表示)、|90°＞(以

表示)、|45°＞(以 表示)和| 135°＞(以 表示)这四个方向中等概率地随机选取，不同光子偏振方向的选取统计独立。接收方收到光子后，对每个光子以等概率地随机选用矩形基({| 0°＞，| 90°＞}，即

)或对角基({| 45°＞，| 135°＞}，即 )进行测量；然后接收方通过经典信道向发送方宣布其每次测量所用的基；发送方通过经典信道向接收方宣布每个光子在制备时所用的基。最后，发送方和接收方通过经典信道检验适当比例的光子的偏振方向，即能以相应的统计显著性确定侦听方是否进行了侦听。具体地说，发送方和接收方随机选取m₁个光子和m₂个光子，分别统计其实验误差率，即接收方测量的偏振方向与发送方制备时所用的偏振方向不相符的比率。如果任何一个实验误差率大于事先约定的最大可接受误差率，则认为光子序列已被侦听方侦听，或者光子序列在传输过程中受到了超过可允许水平的噪声的干扰，这时需要抛弃所有的数据，重新开始新的传输。反之，如果两个实验误差率都小于最大可接受误差率，则根据某种一致的约定，将偏振方向映射为二进制比特‘0’和‘1’，然后发送方和接收方需要通过经典信道进行误差校验、隐私放大的过程，最后获得共享密钥。

利用量子密钥发布技术所形成的共享密钥是完全随机的，发送方无法控制密钥的具体内容，也就不能传送预先确定的信息。具体地说，如果采用量子密钥发布机制来进行安全通信的话，需要首先进行密钥发布，然后利用该密钥和经典的加密协议对信息进行加密，再通过经典信道发送加密后的信息。而如前所述，经典加密协议的安全性存在着隐患。所以，量子密钥发布技术不能实现一般的量子安全通信目的。

在选定偏振方向与二进制比特值之间的对应关系后，光子序列可以被看作是一个比特流。在传输和测量的过程中，这个比特流中可能会产生两类误差：a、由传输过程中的信道噪声造成的误差；b、由于发送方和接收方使用不同测量基所造成的误差。从广义上说，量子安全通信的任务就是在确保安全性的前提下，从具有a、b两类误差的比特流中恢复发送方发送的源比特流。为达到此目的，需要解决两个基本问题：一是如何使接收方由具有a、b两类误差的比特流中有效恢复源数据；二是如何确保源数据不被可能的侦听方探知。理论上，根据某种纠错编码，简单地由发送方在光子序列中加入一定数目的纠错位，可以使接收方依靠所接收到的比特流实现完备的误差纠正，这里实际上并没有区分对待a、b两类误差。但是这种方法不具有安全性，因为光子序列所对应的比特流中包含了用以恢复源比特流的全部信息，任何量子信道的侦听者，只要了解光子序列使用的纠错码，就可以轻易地恢复源比特流。此外，由于不区分a、b两类误差，需要纠错码能在误码率大于25％的情形下有效工作，这对纠错码本身提出了较高的要求。

综上所述，利用现有的技术还不能有效实现量子安全通信。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是提供一种实现安全通信的量子加密方法，用于有效解决现有量子密钥发布技术中传送内容不可控以及现有加密协议安全性较差等问题。

本发明实现安全通信的量子加密方法包括以下步骤：

一、发送方将源比特流分区，并在区间进行区级的容错编码，在区内进行比特级的纠错编码；

二、发送方将经过步骤一所得到的纠错—容错比特流的每个编码区映射为一个光子序列，属于同一个编码区的光子用同一组制备基制备；

三、发送方通过量子信道传送一定数量的光子序列；

四、发送方和接收方利用经典信道验证本次量子通信是否被侦听，如果确定被侦听，则终止发送；如果确定没有被侦听，则转至步骤五；

五、判断所有的光子序列全是否部发送，若是，前进至步骤六；若没有，则回到步骤三；

六、发送方利用经典信道宣布每个编码区的制备基，接收方根据制备基从接收的光子序列中恢复源比特流。

本发明的所述量子加密方法采用与量子密钥发布技术相同的信道结构，结合两类经典的编码方法，实现了安全通信；采用本发明可以有效地判定经过某种经典编码方法处理过的编码数据在传送过程中是否曾被侦听，如果已被侦听，则使侦听方截获的编码数据无效；如果未被侦听，则接收方可以由接收到的编码数据恢复发送方的源数据。本发明所述方法与现有的加密协议相比，其安全性依赖于经过严格检验的物理规律，而非对某种“困难”算法计算复杂性的假设，而且无须使用密钥，也就不存在密钥泄漏的问题；另外本方法所涉及的各模块的功能明确、耦合松散，可相对较有效地检测出可能存在的系统后门。

附图说明：

图1是量子密钥发布方法的信道结构示意图。

图2是量子密钥发布方法的流程示意图。

图3是根据本发明所述方法的流程示意图。

图4是本发明的纠错—容错编码预处理示意图。

具体实施方式：

下面结合附图进一步详细介绍本发明实现安全通信的量子加密方法。

本发明实现安全通信的量子加密方法利用与量子密钥发布方法相同的信道配置，结合经典的编码方法，实现内容可控的量子安全通信，其信道结构与量子密钥发布方法的相同，如图1所示。所需的信道有两个：经典信道和量子信道，在图1中，粗水平线表示经典信道，细水平线表示量子信道。

图2是量子密钥发布方法的流程示意图，在背景技术中已详细介绍了，此处不再赘述。

下面参见图3和图4对本发明的量子加密方法进行详细的介绍。

参见图3，步骤301：发送方将待发送的源比特流编码为有序的纠错—容错比特流B₁，B₂，...，B_n+m。有关该步骤的具体处理流程如图4所示。在进行预处理时，发送方根据安全性的要求，选择适当的n和m，将待发送的源比特流顺序划分为n个长度为l_D的子比特流D₁，D₂，...，D_n，这一过程可能需要加入一定的填充比特，比如0。再将子比特流D₁，D₂，...，D_n编码为n+m个长度为l_C的容错比特流C₁，C₂，...，C_n+m。本发明所用的容错码编码方法是用于处理因测量基和制备基不同而丢弃编码数据区的问题，如可以是Reed-Solomon码编码或Tornado码编码，这类编码方法可将n个源数据区编码为长度与源数据区相同的n+m个编码数据区(n，m∈N)，利用这n+m个编码数据区中的任意n个，可恢复n个源数据区；如果采用Reed-Solomon码进行编码，有l_C＝l_D。在进行容错编码时应注意，n和m的选择应确保在典型误基率下，如50％，接收方能以足够接近于1的概率恢复D₁，D₂，...，D_n。进行容错编码后，根据纠错编码方法，在每个容错比特流C_i中的若干位置加入纠错位，形成n+m个长度为l_B的纠错—容错比特流B₁，B₂，...，B_n+m。纠错码是用于处理编码数据区内可能的比特误差，如卷积码、Turbo码等，这类编码可以实现有效的比特级错误校正，对纠错码和纠错位数目的选择应确保在典型传输误差率下，如小于1％，接收方能以足够接近于1的概率恢复每个纠错—容错比特流的a类误差。

步骤302：发送方对源比特流进行处理后，以一组有序的光子序列B₁ ^q，B₂ ^q，...，B_n+m ^q表征纠错—容错比特流B₁，B₂，...，B_n+m，其中每个光子序列B_i ^q与每个比特流B_i顺序地一一对应。每个光子序列B_i ^q(i＝1，2，...，n+m)所使用的制备基等概率地从矩形基和对角基中随机选取。一旦每个光子序列B_i ^q(i＝1，2，...，n+m)的制备基选定，那么该光子序列中的所有光子都使用这组基，不同的i可以选择不同的制备基。

步骤303：发送方传送光子序列。在正式传送比特流之前，发送方和接收方商定适当的通信窗口容量，即发送方每次发送的光子序列的个数，记为w，为确保可能存在的侦听方无法获得任何关于源数据的有效信息，有w＜n。初始化窗口计数变量.j＝0。发送方顺序发送由光子表征的w个比特序列B_jw+1 ^q，B_jw+2 ^q，...，B_jw+w ^q，由于信道噪声造成的误差，接收方将获得一组有轻微误差的光子序列B_jw+1 ^q，B_jw+2 ^q，...，B_jw+w ^q。

步骤304：对本次发送的光子序列进行安全验证。首先，接收方为收到的带有轻微误差的光子序列B_i ^q(i＝jw+1，jw+2，...，jw+w)等概率随机地选定一组测量基，测量光子序列中B_jw+1 ^q，B_jw+2 ^q，...，B_jw+w ^q中每个光子的偏振，并映射为比特值，记录测量结果。

发送方通过经典信道，向接收方发送B_jw+1 ^q，B_jw+2 ^q，...，B_jw+w ^q的制备基。在统计上，接收方发现约有w/2的光子序列的制备基和测量基相同。接收方简单地抛弃制备基和测量基不同的光子序列所对应的比特流，利用事先约定的纠错码恢复制备基和测量基相同的比特流中的传输误差，再从每个被恢复的比特流中随机选取v个比特作为安全验证比特，通过经典信道发送给发送方。

若这些验证比特与容错比特流C_jw+1，C_jw+2，...，C_jw+w中对应的比特完全相同，则认为本次光子序列的传送并未被侦听方侦听，执行步骤305，若此时光子序列没有全部传输完毕，则发送方令窗口计数变量j＝j+1，继续发送下一组w个光子序列，重复以上步骤。如果光子序列已全部传输完毕，则执行步骤306，接收方发现约有(n+m)/2的光子序列的制备基和测量基相同，类似前面的安全验证过程，接收方简单抛弃制备基和测量基不同的光子序列所对应的比特流。由于通过适当选取n和m，可使制备基和测量基相同的光子序列数以接近于1的任意概率大于n，则利用容错码的恢复过程，能以接近于1的任意概率，恢复D₁，D₂，...，D_n。

反之，如果某些安全验证比特与容错比特流中对应的比特流不匹配，则认为光子序列已被侦听方侦听，或者光子序列在传输过程中受到了超过可允许水平的噪声的干扰，这时需要抛弃本次传输的数据，用一组新的随机基重新表征

B_j·w+2，...，B_j·w+w，并向接收方发送。如果经过多次重发仍无法通过安全验证，则说明信道可能存在致命问题，结束传输过程。

本发明所述方法的安全性在于：通过适当选取参数n、m、w和安全验证比特数，能够以接近于1的任意概率检测出侦听方的存在；并且，由于数据在传输前经过了容错的编码处理，只要w＜n，侦听方在任何时候都无法拥有可以用来恢复源数据的信息。

下面通过一个示意性的例子说明本发明的可靠性。假定待传送的机密数据长度为40000比特，容错码选用Reed-Solomon码，纠错码选用Turbo码，令n＝400、m＝600、w＝250。由数据总长度和n，直接得l_C＝l_D＝100；利用Reed－Solomon码将长度为100比特的400个源比特流编码为长度仍为100比特的1000个容错比特流；在每个容错比特流中加入充足的纠错位，获得相应的纠错一容错比特流。设定安全验证序列数v＝70，用光子序列表征纠错一容错比特流。发送当前通信窗口中的w＝250个光子序列。选取v个测量基和制备基相同的光子序列作为安全验证序列。如果测量基和制备基相同的光子序列不足v个(出现这种情况的概率为 $\underset{i=0}{\overset{69}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{250}^i{(1/2)}^{250}\≈4.6\×{10}^{-13}),$ 则将本次通信窗口中所有测量基和制备基相同的光子序列作为安全验证序列。由接收方通过经典信道向发送方传送对安全验证序列的测量结果。经简单的概率计算可知，如果本次通信窗口中的光子序列被侦听，则验证序列中出现错误比特的概率大于 $1-{0.5}^{250}\·[\underset{i=0}{\overset{70}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{250}^i\·{0.5}^{100\·i}+\underset{i=71}{\overset{250}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{250}^i\·{0.5}^{7000}]\≈1-5.53\×{10}^{-76},$ 即如果侦听者存在，则几乎必然被检测到。

综上所述，本发明所述方法利用现有量子密钥发布方法的信道配置，结合经典的编码方法，实现了安全通信。

Claims (7)

1、一种实现安全通信的量子加密方法，其特征在于，包括以下步骤：

一、发送方将源比特流分区，并在区间进行区级的容错编码，在区内进行比特级的纠错编码；

二、发送方将经过步骤一所得到的纠错—容错比特流的每个编码区映射为一个光子序列，属于同一个编码区的光子用同一组制备基制备；

三、发送方通过量子信道传送一定数量的光子序列；

四、发送方和接收方利用经典信道验证本次量子通信是否被侦听，如果确定被侦听，则终止发送；如果确定没有被侦听，则转至步骤五；

五、判断所有的光子序列是否全部发送，若是，前进至步骤六；若没有，则回到步骤三；

六、发送方利用经典信道宣布每个编码区的制备基，接收方根据制备基从接收的光子序列中恢复源比特流。

2、如权利要求1所述的量子加密方法，其特征在于，所述步骤一包括：

(一)发送方将待发送的源比特流顺序划分为长度为l_D的n个子比特流D₁，D₂，...，D_n；

(二)  将子比特流D₁，D₂，...，D_n编码为长度为l_C的n+m个容错比特流C₁，C₂，...，C_n+m；

(三)在每个容错比特流C_i中加入纠错位，形成长度为l_B的n+m个纠错—容错比特流B₁，B₂，...，B_n+m。

3、如权利要求1或2所述的量子加密方法，其特征在于，所述容错编码中n和m的选择条件是在典型误基率下，接收方能以足够接近于1的概率恢复源比特流数据。

4、如权利要求1或2所述的量子加密方法，其特征在于，进行所述纠错编码时，选择纠错码和纠错位数目的条件是在典型传输误差率下，接收方能以足够接近于1的概率恢复每个纠错—容错比特流中由信道噪声造成的误差。

5、如权利要求1或2所述的量子加密方法，其特征在于，所述步骤二中每个光子序列所使用的制备基等概率地从矩形基和对角基中随机选取。

6、如权利要求1或2所述的量子加密方法，其特征在于，所述步骤三中发送方发送光子序列的个数w小于源比特流的分区数n。

7、如权利要求1或2所述的量子加密方法，其特征在于，所述步骤四进一步包括：

(一)接收方等概率地随机选定一组测量基，测量收到的光子序列中每个光子的偏振，并映射为比特值，记录测量结果；

(二)发送方通过经典信道，向接收方发送上述光子序列的制备基；

(三)接收方简单抛弃制备基和测量基不同的光子序列所对应的比特流，利用事先约定的纠错码恢复制备基和测量基相同的比特流中的传输误差；

(四)从每个被恢复的比特流中随机选取v个比特作为安全验证比特，通过经典信道发送给发送方；

(五)判断上述安全验证比特与上述光子序列所对应的容错比特流中对应的比特是否完全相同，若相同，则转至步骤五；若不相同，则前进至下一步骤(六)；

(六)抛弃本次传输的数据，用一组新的随机基重新表征上述光子序列，向接收方发送，重复步骤(一)至(五)。

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