基于中继站的复杂拓扑网络密钥分配系统的实现方法技术方案

本发明专利技术公开了基于中继站的复杂拓扑网络密钥分配系统的实现方法，处于拓普网络的多个发送方各自产生双模纠缠量子态，每个发送方保留一个双模纠缠量子态中的一个模，并将另外一个模经过量子信道送至由多个平衡分束器和多个零差探测器构成的中继站。中继站将接收到的模进行测量并公开其测量结果，而后多个发送方利用公开测量的结果对各自保留的模进行操作，从而获得一致的安全的密钥。本发明专利技术推进了量子密码的实用化，同时能使量子通信适用于复杂的拓普网络环境中。

Implementation of key distribution system in complex topology network based on relay station

The invention discloses the implementation of the complex topology network key distribution system based on the relay station. The multiple sender of the extension network produces two mode entangled quantum states. Each sender holds a module in a double mode entangled quantum state and sends another module through a quantum channel to a number of balanced beam splitters. A relay station consisting of a plurality of zero difference detectors. The relay station measures the received modules and exposes the results of their measurements, and then the multiple sender uses the results of the public measurements to operate the reserved modules to obtain a consistent secure key. The invention promotes the practicability of quantum cryptography and enables quantum communication to be applied to complex topology networks.

【技术实现步骤摘要】
基于中继站的复杂拓扑网络密钥分配系统的实现方法
本专利技术属于量子密钥分发
，涉及一种基于中继站的复杂拓扑网络密钥分配系统的实现方法。
技术介绍
随着分布式大规模计算技术的发展，以及在实际情况下密钥长度是有限的，经典加密算法存在被破解的可能。而量子密码的出现，为保密通信带来的新的发展空间。量子密码为合法通信双方提供基于物理原理的加密方式，在近年备受关注。基于量子力学的“海森堡测不准原理”、“不可克隆和不可复制原理”设计的保密通信技术具有对信道窃听行为的可检测性和协议的可证明理论安全性两个特征。利用物理学中本征态本身所具有的连续谱和离散谱两种不同的特征，可以实现连续变量和离散变量两种量子密钥分发。而通常所说的离散变量量子密钥分发具体是指利用表示在有限维希尔伯特空间的离散变量进行密钥分发，最常见的即光的偏振；而连续变量量子密钥分发是指理论上能够利用表示在无限维希尔伯特空间的连续变量进行密钥分发，这样的连续量子变量每个值都对应不同的正交变量，最常见的即光场的正交相位和正交振幅。因此从理论上来说，连续变量量子密钥分发具有一些自有的特征，比如，连续变量量子密钥分发单个脉冲可以编码多比特信息，从而有可能产生较大的安全码率；连续变量可以产生更高的探测效率，而且有现成的激光源，同时有可以直接集成到当前的电信系统的潜力等。相对于离散变量量子密钥分发，连续变量量子密钥分发还存在几大问题。比如，连续变量的传输距离太短的问题。主要的原因是通信者之间传输的初始密钥数据一般为高斯随机值，这种数据在连续类型的经典后处理中比离散类型的要复杂的多。针对这个问题，诸多学者已经提出了多种解决方案，比如在低信噪比的条件下保证比较高的和解率，运用无噪线性放大器或者是光子减法操作等。此外，连续变量量子密钥分发还存在一大问题，以往的连续变量量子密钥分发方案都是点对点的通信方案。在这种通信模型中只存在两个通信者，发送方和接收方。但是在现有的复杂的拓扑网络环境下，信息传输中往往会出现多个通信者。此时的通信模型，就不能再简化成一般的点对点的通信方案了。即，点对点的量子密钥分配方案不适用于复杂的网络环境中。因此，如何建立适用于复杂网络环境下的多方量子密钥分发方案，是目前的一个研究热点。
技术实现思路
为了达到上述目的，本专利技术提供一种基于中继站的复杂拓扑网络密钥分配系统装置及实现方法，解决了现有技术中点对点的量子密钥分配方案不适用于复杂的网络环境的问题。本专利技术所采用的技术方案是，基于中继站的复杂拓扑网络密钥分配系统的实现方法，具体按照以下步骤进行：步骤A、连续变量初始密钥分发步骤：处于拓普网络的多个发送方各自产生双模纠缠量子态，每个发送方保留一个双模压缩态中的一个模，并将另外一个模经过量子信道送至由多个平衡分束器构成的中继站；步骤B、连续变量密钥测量步骤：中继站将接收到的模进行测量并公开其测量结果，并将测量结果发送给多个发送方；步骤C、多个发送方利用公开测量的结果对各自保留的模进行操作，从而获得一致的安全的密钥。进一步的，所述步骤A为：发送方A产生由模A1和模A2构成的双模纠缠量子态，发送方A保留模A1，并将模A2送至中继站；发送方B产生由模B1和模B2构成的双模纠缠量子态，发送方B保留模B1，并将模B2送至中继站；发送方C产生由模C1和模C2构成的双模纠缠量子态，发送方C保留模C1，并将模C2送至中继站；发送方D产生由模D1和模D2构成的双模纠缠量子态，发送方D保留模D1，并将模D2送至中继站。进一步的，所述步骤B为：当获得的共同秘钥为时，发送方A发送的模A2和发送方B发送的模B2经过平衡分束器BS1，产生新的量子态模A'和模B'；发送方C发送的模C2和发送方D发送的模D2经过平衡分束器BS2，产生新的量子态模C'和模D'；在中继站中，将模B'和模D'送至平衡分束器BS3产生新的量子模H2和模H1，模A'和模C'送至平衡分束器BS4产生新的量子模H3和模H4；将模H1，H2，H3和H4分别送至各个零差探测器进行检测，对于H1，检测正交P方向的量，即对于H2，检测正交X方向的量，即对于H3，检测正交X方向的量，即对于H4，检测正交X方向的量，即中继站通过光纤信道将检测结果公开传输到发送方A、B、C和D。进一步的，所述步骤C为：发送方A对保留的模A1不进行任何操作，公式表示如下由此，可得其中是A1在正交X方向进行零差检测的结果，是A2在正交X方向进行零差检测的结果，为共同秘钥；发送方B对保留的模B1进行位移操作，公式如下是B3在X方向进行零差检测的结果，是B1在X方向进行零差检测的结果，和是H3和H4在正交X方向进行零差检测的结果，发送方B选择检测结果和B1经过位移零差检测后，才能得到共同密钥发送方C对保留的模C1进行位移操作，公式如下其中是C3在正交X方向进行零差检测的结果，是C1在X方向进行零差检测的结果，和是H2和H3在正交X方向进行零差检测的结果，发送方C选择检测结果和C1经过位移零差检测后，得到的结果是根据得到共同密钥发送方D对保留的模D1进行位移操作，公式如下其中是D3在正交X方向进行零差检测的结果，是D1在正交X方向进行零差检测的结果，和是H2和H4在正交X方向进行零差检测的结果，发送方D选择检测结果和D1经过位移零差检测后，得到的结果是根据得到共同密钥此时四方都获得了共同的密钥本专利技术的有益效果是：提出了一种基于中继站的复杂拓扑网络密钥分配系统装置及实现方法，能有效建立适用于复杂拓扑网络环境下的多方量子密钥分发方案，适用于通信模型中存在多个通信者。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，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是基于中继站的复杂拓扑网络密钥分配系统实现流程图。图中：Hom.为零差探测器，EPR为双模纠缠量子态，BS1,BS2,BS3,BS4为平衡分束器，Disp.为位移操作。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，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，都属于本专利技术保护的范围。复杂拓扑网络密钥分配系统中包含多个发送方，本文仅以4个发送方为实施例来说明基于中继站的复杂拓扑网络密钥分配系统的实现方法。基于中继站的复杂拓扑网络密钥分配系统的实现方法由发送方Alice(发送方A)、发送方Bob(发送方B)、发送方Charlie(发送方C)、发送方David(发送方D)进行连续变量初始密钥分发，各个发送方各自产生双模纠缠量子态(EPR)，各个发送方保留携带信息的双模压缩态(ERP)中的一个模，并将另外一个模经过量子信道送至中继站，中继站对接收到的模进行测量并公开其测量结果，多个发送方利用公开测量的结果对各自保留的模进行操作，从而获得一致的安全的密钥。基于中继站的复杂拓扑网络密钥分配系统的实现方法，具体按照以下步骤进行：步骤A、连续变量初始密钥分发步骤：处于拓普网络的多个发送方各本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于中继站的复杂拓扑网络密钥分配系统的实现方法，其特征在于，具体按照以下步骤进行：步骤A、连续变量初始密钥分发步骤：处于拓普网络的多个发送方各自产生双模纠缠量子态，每个发送方保留一个双模压缩态中的一个模，并将另外一个模经过量子信道送至由多个平衡分束器构成的中继站；步骤B、连续变量密钥测量步骤：中继站将接收到的模进行测量并公开其测量结果，并将测量结果发送给多个发送方；步骤C、多个发送方利用公开测量的结果对各自保留的模进行操作，从而获得一致的安全的密钥。

【技术特征摘要】
1.基于中继站的复杂拓扑网络密钥分配系统的实现方法，其特征在于，具体按照以下步骤进行：步骤A、连续变量初始密钥分发步骤：处于拓普网络的多个发送方各自产生双模纠缠量子态，每个发送方保留一个双模压缩态中的一个模，并将另外一个模经过量子信道送至由多个平衡分束器构成的中继站；步骤B、连续变量密钥测量步骤：中继站将接收到的模进行测量并公开其测量结果，并将测量结果发送给多个发送方；步骤C、多个发送方利用公开测量的结果对各自保留的模进行操作，从而获得一致的安全的密钥。2.根据权利要求1所述的基于中继站的复杂拓扑网络密钥分配系统的实现方法，其特征在于，所述步骤A为：发送方A产生由模A1和模A2构成的双模纠缠量子态，发送方A保留模A1，并将模A2送至中继站；发送方B产生由模B1和模B2构成的双模纠缠量子态，发送方B保留模B1，并将模B2送至中继站；发送方C产生由模C1和模C2构成的双模纠缠量子态，发送方C保留模C1，并将模C2送至中继站；发送方D产生由模D1和模D2构成的双模纠缠量子态，发送方D保留模D1，并将模D2送至中继站。3.根据权利要求1所述的基于中继站的复杂拓扑网络密钥分配系统的实现方法，其特征在于，所述步骤B为：当获得的共同秘钥为时，发送方A发送的模A2和发送方B发送的模B2经过平衡分束器BS1，产生新的量子态模A'和模B'；发送方C发送的模C2和发送方D发送的模D2经过平衡分束器BS2，产生新的量子态模C'和模D'；在中继站中，将模B'和模D'送至平衡分束器BS3产生新的量子模H2...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭迎，赵微，阮新朝，李嘉伟，谢才浪，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43