一种基于量子网络的MDI-QKD方法技术

本发明专利技术公开一种基于量子网络的MDI‑QKD协议，该协议将量子网络中的量子隐形传态应用于传统的单边MDI‑QKD协议中，一方面，保持了原始MDI‑QKD协议的优势，即保证了安全协议对测量设备的不依赖性，有效地避免了QKD系统中测量器端的所有攻击；另一方面，量子网络中的量子隐形传态能够大幅度的延长通信的安全距离；本发明专利技术将量子网络中的量子隐形传态应用到MDI‑QKD协议中，在保证通信安全性的同时，大幅度提升了MDI‑QKD协议的距离。

【技术实现步骤摘要】
一种基于量子网络的MDI-QKD协议
本专利技术属于量子通信
，具体是一种基于量子网络的MDI-QKD协议。
技术介绍
量子保密通信以量子物理与信息学为基础，其安全性是由量子力学基本原理来保证的，量子密钥分发是量子保密通信中最为重要的内容，被认为是安全性最高的加密方式。它使得通信双方能够产生并分享一个随机的、安全的密钥来加密和解密信息。1984年，Bennett等人首次提出了量子密码史上的QKD协议，BB84协议，而后经过三十多年的发展，各种新型的QKD协议相继出现，如：循环差分相移协议，基于脉冲调制的QKD协议，诱骗态双向QKD协议，等等。其中，Hoi-KwongLo等人于2012年提出了实用性更高的QKD协议，测量设备无关的量子密钥分发(Measurement-Device-IndependentQuantumKeyDistributionProtocol,MDI-QKD)协议。在MDI-QKD协议中，Alice和Bob为合法通信用户，只负责量子态的制备，而后将制备的量子态分别发送给协议运行的第三方Charlie，由Charlie完成对两个量子态的测量，并通过公共的经典信道将测量结果公布给Alice和Bob，Alice和Bob根据Charlie端的测量结果对各自手中的数据进行后续处理，最终获取安全密钥。MDI-QKD协议自2012年首次提出之后便受到科研爱好者的热捧，从理论和实验两方面都进行了深入的研究。量子网络，是新型的安全通信网络，其利用量子纠缠和量子隐形传态给网络带来真正意义上的安全，以及计算和科学领域质的飞跃。其中，量子隐形传态又称量子遥传、量子远距传输等，是一种利用量子纠缠和一些经典物理信息来传送未知量子态的全新通信技术。若Alice传送一个未知量子态至接收方Bob，首先Alice和Bob间要共享一个纠缠的量子通道，即EPR纠缠粒子对，然后Alice将原未知量子态分解为经典信息和量子信息分别经由经典信道和量子信道传送给Bob，Bob根据获取的信息将未知量子态还原。其中，经典信息是发送者Alice对待传送的未知量子态进行贝尔态测量而获知的测量结果，量子信息则是Alice在测量中未获取的有关未知量子态的其余信息。原始的MDI-QKD协议中，合法通信用户Alice和Bob不配备任何测量装置，只负责量子态的制备，而量子态的测量由一个不可信任的第三方Charlie进行。申请号为201510008068.9的专利公开了一种两节点测量设备无关量子密钥分发系统，将两个独立激光器和测量装置Charlie都放置在同一个节点上，即均放置在Alice端或Bob端，形成两节点双向传输的量子密钥分发系统。这种特殊的结构移除了协议运行过程中窃听者对测量设备的攻击，保证了通信的安全性，然而该协议的安全通信距离还不够长，需要进一步改进以延长安全通信的距离。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种基于量子网络的MDI-QKD协议，将量子隐形传态应用于MDI-QKD协议中，一方面，保证了安全协议对测量设备的不依赖性，有效地避免了QKD系统中测量器端的所有攻击；另一方面，量子网络中的量子隐形传态能够大幅度的延长通信的安全距离；故本专利技术的一种基于量子网络的MDI-QKD协议，能够实现在保证安全性的同时大幅度延长安全传输距离的效果。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种基于量子网络的MDI-QKD协议，包括如下步骤：S1，通信用户Alice通过量子路由的方法与处在同一量子网络的节点Alicel建立最优的路由路线；S2，处于同一量子网络的通信用户Alice和Bob分别制备量子态，且通信用户Alice通过隐形传态的方式将自己制备的量子态传送至节点Alicel；S3，Alicel接收到量子态后与Bob同步地通过量子信道将两个量子态发送给第三方量子测量设备Charlie进行测量；S4，Charlie对接收到的两个量子态进行BELL态测量(BSM)，然后通过经典信道将测量结果公布给通信用户Alice和Bob；Alice和Bob对获取到的测量结果进行判断；S5，若判断测量结果错误，则Alice和Bob都将本次通信过程中发送给Charlie测量的量子态数据丢弃；若判断测量结果正确，则Alice和Bob暂时保留该量子态数据，并通过对基操作得到筛后的密钥数据，Alice或者Bob任一方对自己的密钥做一次比特翻转；S6，重复步骤S2至S5，得到一串自然密钥比特；S7，检测量子信道是否存在窃听；S8，得到最终安全密钥。具体地，步骤S2中，所述通信用户Alice在传送量子态的过程中，会损失一定量的信息，即Alice将量子态传送到Alicel存在一定的保真度，所述保真度表示为：其中，0≤x≤1，x表示量子隐形传态中W态的权重；当时，W态可分离；当时，W态不可分离；当x＝1时，W态为纯态；n表示量子隐形传态的节点数；ρin和ρn-1分别表示输入量子态以及第n-1个节点的输出量子态的密度算法。具体地，步骤S4中，所述Alice和Bob对获取到的测量结果进行判断的方法为：Alice和Bob各自选取一部分密钥并公开，Alice和Bob根据公开的密钥来计算密钥的错误率，若错误率超过阈值，则判断测量结果错误；若错误率低于阈值，则判断测量结果正确。具体地，步骤S5中，所述通过对基操作得到筛后的密钥数据的方法为：Alice和Bob先公开各自制备每个量子态所使用的基，然后把使用相同基制备的量子态对应的密钥数据保留下来，舍弃使用不同基制备的量子态对应的密钥数据，从而得到筛后的密钥数据。具体地，步骤S7中，检验量子信道是否存在窃听的方法为：Alice和Bob双方公示出部分原始密钥，并计算密钥的误码率；若误码率超过门限，说明存在窃听，舍弃此次通信过程，若误码率不超过门限，则保留未公示的原始密钥。具体地，步骤S8中，得到最终安全密钥之前，需要对剩下的密钥串进行纠错和保密放大操作。进一步地，所述协议的密钥率计算公式为：其中，Qrect和Erect表示正交基下的增益和量子误码率；f(Erect)为错误纠正率函数，H(x)＝-xlog2(x)-(1-x)log2(1-x)为香农熵函数。进一步地，所述协议的增益和量子误码率表示为：在相同纠缠度x和密钥率的情况下，随着隐形传态的节点数n的增大，协议的相对传输距离在逐渐减小；在隐形传态的节点数n和密钥率相同的情况下，随着隐形传态时W态的纠缠度x的降低，协议的相对传输距离也在逐渐减小。具体地，所述量子网络包括量子网络源节点的两个合法通信用户Alice、Bob以及一个量子网络目的节点Alicel。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术的通信协议采用的是MDI-QKD协议，因而具有原始MDI-QKD协议的优势，即保证了安全协议对测量设备的不依赖性，有效地避免了QKD系统中测量器端的所有攻击；本专利技术将量子网络中的量子隐形传态应用到MDI-QKD协议中，在保证通信安全性的同时，大幅度提升了MDI-QKD协议的距离。附图说明图1为本专利技术一种基于量子网络的MDI-QKD协议的流程图；图2为本专利技术一种基于量子网络的MDI-QKD协议的通信网络示意图。具体实施方式下面将结合本专利技术中的附图，对本专利技术的技术方案进行清楚、完本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于量子网络的MDI‑QKD协议，其特征在于，包括如下步骤：S1，通信用户Alice通过量子路由的方法与处在同一量子网络的节点Alicel建立最优的路由路线；S2，处于同一量子网络的通信用户Alice和Bob分别制备量子态，且通信用户Alice通过隐形传态的方式将自己制备的量子态传送至节点Alicel；S3，Alicel接收到量子态后与Bob同步地通过量子信道将两个量子态发送给第三方量子测量设备Charlie进行测量；S4，Charlie对接收到的两个量子态进行BELL态测量，然后通过经典信道将测量结果公布给通信用户Alice和Bob；Alice和Bob对获取到的测量结果进行判断；S5，若判断测量结果错误，则Alice和Bob都将本次通信过程中发送给Charlie测量的量子态数据丢弃；若判断测量结果正确，则Alice和Bob暂时保留该量子态数据，并通过对基操作得到筛后的密钥数据，Alice或者Bob任一方对自己的密钥做一次比特翻转；S6，重复步骤S2至S5，得到一串密钥比特；S7，检测量子信道是否存在窃听；S8，得到最终安全密钥。

【技术特征摘要】
1.一种基于量子网络的MDI-QKD协议，其特征在于，包括如下步骤：S1，通信用户Alice通过量子路由的方法与处在同一量子网络的节点Alicel建立最优的路由路线；S2，处于同一量子网络的通信用户Alice和Bob分别制备量子态，且通信用户Alice通过隐形传态的方式将自己制备的量子态传送至节点Alicel；S3，Alicel接收到量子态后与Bob同步地通过量子信道将两个量子态发送给第三方量子测量设备Charlie进行测量；S4，Charlie对接收到的两个量子态进行BELL态测量，然后通过经典信道将测量结果公布给通信用户Alice和Bob；Alice和Bob对获取到的测量结果进行判断；S5，若判断测量结果错误，则Alice和Bob都将本次通信过程中发送给Charlie测量的量子态数据丢弃；若判断测量结果正确，则Alice和Bob暂时保留该量子态数据，并通过对基操作得到筛后的密钥数据，Alice或者Bob任一方对自己的密钥做一次比特翻转；S6，重复步骤S2至S5，得到一串密钥比特；S7，检测量子信道是否存在窃听；S8，得到最终安全密钥。2.根据权利要求1所述的一种基于量子网络的MDI-QKD协议，其特征在于，步骤S2中，所述通信用户Alice在传送量子态的过程中，会损失一定量的信息，即Alice将量子态传送到Alicel存在一定的保真度，所述保真度表示为：其中，0≤x≤1，x表示量子隐形传态中W态的权重；当时，W态可分离；当时，W态不可分离；当x＝1时，W态为纯态；n表示量子隐形传态的节点数；ρin和ρn-1分别表示输入量子态以及第n-1个节点的输出量子态的密度算法。3.根据权利要求1所述的一种基于量子网络的MDI-QKD协议，其特征在于，步骤S4中，所述Alice和Bob对获取到的测量结果进行判断的方法为：Alice和Bob各自选取一部分密钥并公开，Alice和Bo...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘金锁，于浩，冯宝，潘子春，胡倩倩，卓文合，贾玮，李振伟，张影，张璐，昝继业，吕超，卞宇翔，完颜绍澎，马亚妮，赵生妹，
申请(专利权)人：南京南瑞国盾量子技术有限公司，南京南瑞信息通信科技有限公司，南瑞集团有限公司，国网安徽省电力有限公司信息通信分公司，国家电网有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32