一种基于氢原子的完全量子通信方法技术

一种基于氢原子的完全量子通信方法，包括Alice量子通信模块、Bob量子通信模块，信息和密钥均使用量子通信模式和量子信道，通信过程不使用经典信道；Alice量子通信模块与Bob量子通信模块之间设有量子信道，Alice量子通信模块与量子信道、Bob量子通信模块连接进行完全量子通信；Alice量子通信模块与Bob量子通信模块既可作为发送方也可以作为接收方，量子信道能够进行双向量子通信，均具有制备量子密钥的能力，使用12组不同的互为正交的氢原子量子态组成字母表；通信双方使用量子信道传输加密信息，并使用量子信道传输量子密钥。本发明专利技术提供了一种不使用经典信道，完全由量子信道完成量子密钥、加密信息传输的基于氢原子的完全量子通信方法，具有更高的安全性、更快的传输速度、量子信息和量子密钥的存储、抗量子攻击能力更强。

A Complete Quantum Communication Method Based on Hydrogen Atom

A complete quantum communication method based on hydrogen atom includes Alice quantum communication module and Bob quantum communication module. Quantum communication mode and quantum channel are used for information and key, and classical channel is not used for communication process. There is quantum channel between Alice quantum communication module and Bob quantum communication module. Alice quantum communication module is connected with quantum channel and Bob quantum communication module. Line complete quantum communication; Alice quantum communication module and Bob quantum communication module can be used as both sender and receiver. Quantum channel can carry out bidirectional quantum communication. Quantum keys can be prepared by using 12 different groups of orthogonal hydrogen atom quantum states to form an alphabet. Both sides of communication use quantum channel to transmit encrypted information and transmit quantum channel. Lose quantum key. The invention provides a complete quantum communication method based on hydrogen atom, which can complete the transmission of quantum key and encrypted information completely by quantum channel without using classical channel, and has higher security, faster transmission speed, better storage of quantum information and quantum key, and stronger anti-quantum attack ability.

【技术实现步骤摘要】
一种基于氢原子的完全量子通信方法
本专利技术属于计算机网络、通信领域及量子加密领域，具体涉及一种基于氢原子的完全量子通信方法。
技术介绍
随着互联网时代的快速发展，信息通信应用越来越广泛，通信安全问题也日益受到重视。现在比较常见的加密算法都是传统的、基于算法的加密方式，如DES加密或RSA加密体系，这些方法的安全性比较依赖于数学算法的复杂性，通过增加密码位数等方法导致经典计算机无法在有限时间内完成求解来提高通信安全性。但是这种基于算法的加密方式在量子计算出现后，安全性已经备受质疑。比如量子计算机能够在几秒内完成几百台计算机上百年的计算工作，量子Grover算法能够轻松破解DES加密体系，Shor算法能够破解RSA加密体系。近年来还出现了量子通信技术，如BB84协议、B92协议、EPR协议、GHZ协议等，大大提高了通信的安全性。在量子通信中，量子密钥的分配基于海森堡测不准原理以及量子态不可克隆定理，在分配密钥的时候还会测量是否有非法窃听，如果有外界的窃听者试图在传输过程中测量量子消息，会导致量子态的坍塌，从而被察觉。当前国内外广泛使用的量子通信主要有以下几个特点：一是利用光子进行量子纠缠操作，最著名的几个量子加密协议，如BB84协议、B92协议、EPR协议、GHZ协议等均使用纠缠光子对；二是先利用量子信道进行密钥的通信，之后再通过经典信道来进行密钥的协商并找出是否有窃听者存在，最后再协商出可用的密钥，并使用经典信道传输加密信息；三是正交基比较少，比如BB84协议使用了两套不同的正交基：用光子的线性偏振状态|0°>和|90°>(代表水平线性偏振状态和垂直线性偏振状态)以及旋转偏振状态|45°>和|135°>。这些量子通信技术提供了一种理论上绝对安全的通信技术。虽然当前的量子通信技术已经大大提高了通信的安全性，但仍然有一些明显的不足之处。问题1：当前的量子通信方案使用了经典信道传输加密信息，加密信息传输的安全性不高。经典信道是一种不使用量子纠缠操作的信道，多用于传输Alice和Bob加密之后的信息和在其中进行密钥的协商，如BB84协议、B92协议、EPR协议、GHZ协议等，当Alice与Bob在经典信道协商好密钥之后，发送方均使用经典信道传输加密后的信息。然而经典信道依旧存在许多不安全因素，容易遭到窃听。如果窃听者获取了经典信道中双方的密钥协商过程以及传输的加密信息，借助量子计算机或量子算法，甚至能够在通信双方均觉察不到的情况下对加密信息进行破解。常见的量子算法均可提供前所未有的搜索能力，如Shor算法能够破解RSA加密体系，Grover算法能够破解DES加密体系。因此，面对传统的混合量子加密网络和光量子通信系统，窃听者完全可以不需要窃听通信双方的量子通道或量子密钥，而是利用量子计算机和量子算法的并行性直接窃取双方的密钥协商过程和密文，对并密文进行暴力破解，有可能最终获得通信对方所传输的原文信息和量子密钥，从而威胁现有的量子通信技术的安全性。问题2：当前的量子通信方案不适合量子比特的存储和管理。当前的量子通信方案广泛使用光子作为量子比特，如BB84协议、B92协议、EPR协议、GHZ协议等，主要原因是光子适合使用激光器件产生，并由光学元件组成光路进行量子纠缠操作，但是光子也是飞行比特，其速度为光速，在计算机中几乎无法保存。所以当前的量子通信方案无一例外地每次通信都要产生新的光子，无法实现飞行光子的保存和管理。问题3：当前的量子通信方案抗干扰能力不强。由于使用光子的偏振态组成字母表，如一组0度和90度，另一组45度和135度，使用上和实现上比较方便；但是，显然两组编码间的正交性不强，码距比较短，对测量精度要求比较高。在比较理想的状态下，Alice和Bob可以生成以及共同享有一样的随机密钥。在实际的操作中，要考虑的还有仪器的误差以及环境噪声，比如在通信中测量到22.5度，将无法判断是0度字母中导致的还是45度字母表中导致的，或者是有窃听者或有环境噪声，双方必须公布测量方法才能进一步确定。在当前各种量子通信中，如BB84协议、B92协议、EPR协议、GHZ协议等，都反复强调易受环境噪声的影响，当测量噪声比较大时，或被攻击者使用量子噪声干扰时，将很难区分这类测量误差是由Eve窃听所造成的还是由信道噪声所造成的，因此现有的量子通信方案对光子物理态测量的精度要求非常高。问题4：当前的量子通信方案抗量子攻击能力较弱，通信失败几率较高。在量子通信中，同样存在拒绝服务(Denial-of-Service)量子攻击和中间人量子攻击。当前的量子通信方案使用两组字母表，虽然Eve并不知道Alice和Bob选择字母表的行为，但假如Eve在整个过程中100％持续不间断实施窃听，每次仍然有50％的几率在两组字母表中选择正确而窃听成功，导致本次通信作废，量子密钥失效，即形成拒绝服务量子攻击。进一步地，Eve能够使用窃听成功的量子密钥，伪造成中间人，模仿通信双方的操作而不被发现，即形成中间人量子攻击。再加上现有的基于光子的量子通信方案抗干扰能力不强和测量误差问题，拒绝服务量子攻击和中间人量子攻击导致的量子通信失败的几率更高。如果Eve持续不断地测量和攻击Alice与Bob的量子通信，Alice与Bob只能不断地重复着作废和重启操作，将会导致双方通信无法正常进行，从而影响重要业务的及时完成。问题5：现有的量子通信方案，多是单向的，即由一方发送量子密钥。在量子通信中，双方需要进行密钥的协商，采用两组字母表进行测量，以确定本次量子通信是否有效，如果发送量子密钥或形成纠缠光子对的发送方故障或失效，则有可能导致双方无法通信。双方的通信依赖于发送方制备量子态的精度和通信过程，类似于半双工通信方式，这在很多时候并不方便。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了提供一种完全使用量子信道代替经典信道，完全由量子信道完成量子密钥传输和加密信息传输的基于氢原子的完全量子通信方法。专利技术的目的是这样实现的：一种基于氢原子的完全量子通信方法，它包括Alice量子通信模块、Bob量子通信模块，Alice量子通信模块与Bob量子通信模块之间设有量子信道，Alice量子通信模块与量子信道、Bob量子通信模块连接进行通信，Alice量子通信模块与Bob量子通信模块既可作为发送方也可以作为接收方，量子信道能够进行双向量子通信，通信双方使用量子信道传输加密信息，并使用量子信道传输量子密钥。所述Alice量子通信模块用于Alice测量氢原子的多种量子态以及对氢原子的量子态进行量子纠缠操作，Alice量子通信模块能够随机选择氢原子量子态字母表中的任意一组制备一位或多位量子态进行量子通信，也能够测量字母表中的不同物理态。所述氢原子量子态字母表包括多组互不相同的物理态，每组均包括|0>和|1>两种正交的物理态，Alice量子通信模块能够随机选择字母表中的任意一组构成量子密钥实现对信息的加密，并将加密后的信息通过量子信道传输给Bob量子通信模块，量子密钥通过量子信道传输给Bob量子通信模块。量子存储器为存储量子信息和量子密钥的非经典存储器，优选地，为氢原子存储器。所述Bob量子通信模块能够随机选择氢原子量子态字母表中的任意一组制备一位或多位量子态进行量子本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于氢原子的完全量子通信方法，其特征在于：包括Alice量子通信模块(101)、Bob量子通信模块(102)，信息和密钥均使用量子通信模式和量子信道(104)，通信过程使用量子信道；Alice量子通信模块(101)与Bob量子通信模块(102)之间设有量子信道，Alice量子通信模块(101)与量子信道(104)、Bob量子通信模块(102)连接进行完全量子通信，Alice量子通信模块(101)与Bob量子通信模块(102)既可作为发送方也可以作为接收方，均具有制备量子密钥的能力，量子信道(104)能够进行双向量子通信，通信双方使用量子信道(104)传输加密信息和量子密钥，使用量子纠缠操作形成量子信道，能够在量子信道其中传输量子密钥、未经加密的量子信息和经过量子加密的量子信息；可够使用多个(2个以上)氢原子的量子纠缠态进行量子稠密编码，通信双方共享量子密钥的纠缠态，同时实现量子密钥和量子信息的稠密编码传输；使用量子密钥作为控制位，数据信息作为靶位，通过量子逻辑门操作实现量子信息的稠密编码和保密传输。

【技术特征摘要】
1.一种基于氢原子的完全量子通信方法，其特征在于：包括Alice量子通信模块(101)、Bob量子通信模块(102)，信息和密钥均使用量子通信模式和量子信道(104)，通信过程使用量子信道；Alice量子通信模块(101)与Bob量子通信模块(102)之间设有量子信道，Alice量子通信模块(101)与量子信道(104)、Bob量子通信模块(102)连接进行完全量子通信，Alice量子通信模块(101)与Bob量子通信模块(102)既可作为发送方也可以作为接收方，均具有制备量子密钥的能力，量子信道(104)能够进行双向量子通信，通信双方使用量子信道(104)传输加密信息和量子密钥，使用量子纠缠操作形成量子信道，能够在量子信道其中传输量子密钥、未经加密的量子信息和经过量子加密的量子信息；可够使用多个(2个以上)氢原子的量子纠缠态进行量子稠密编码，通信双方共享量子密钥的纠缠态，同时实现量子密钥和量子信息的稠密编码传输；使用量子密钥作为控制位，数据信息作为靶位，通过量子逻辑门操作实现量子信息的稠密编码和保密传输。2.根据权利要求1所述的一种基于氢原子的完全量子通信方法，其特征在于：所述量子信道构成密钥通信所需的密钥信道和密钥传输网络，也构成信息通信所需的信息信道和信息传输网络，量子密钥通信网络与量子信息通信网络能够同时工作，并且同时传输信息；Alice量子通信模块(101)与Bob量子通信模块(102)具有量子信息和量子密钥双向计算转换功能和兼容处理功能，既能够读取、计算和处理量子信道中的密钥信息，也能够读取、计算和处理量子信道中的数据信息，并维持量子信道的运行。Alice量子通信模块(101)与Bob量子通信模块(102)具有量子信息的存储功能，具备量子存储器以实现量子信息和量子密钥的存储转发和测量、纠缠、叠加、转换操作；量子存储器为存储量子信息和量子密钥的非经典存储器，每个存储位为单个氢原子，通过氢原子的不同物理态存储量子信息|0>或|1>及两态间的所有叠加态，能够实现量子密钥和量子信息的存储和管理。3.根据权利要求2所述的一种基于氢原子的完全量子通信方法，其特征在于：所述Alice量子通信模块(101)用于Alice测量氢原子的多种量子态以及对氢原子的量子态进行量子纠缠操作，Alice量子通信模块(101)使用12组不同的互为正交的氢原子量子态组成字母表，能够随机选择氢原子量子态字母表中的任意一组或几组制备一位或多位量子态进行量子通信，也能够测量字母表中的不同物理态。4.根据权利要求3所述的一种基于氢原子的完全量子通信方法，其特征在于：所述氢原子量子态字母表包括12组互不相同的物理态，每组均包括|0>和|1>两种正交的物理态，Alice量子通信模块(101)能够随机选择氢原子字母表中的任意一组或几组构成量子密钥实现对信息的加密，也能够随机选择氢原子字母表中的任意一组或几组构成量子数据信息，并将加密后的信息通过量子信道(104)传输给Bob量子通信模块(102)，量子密钥通过量子信道(104)传输给Bob量子通信模块(102)；氢原子量子态字母表使用12组互不相同的物理态分别编码成量子态的|0>和|1>，或反之，分别编码成量子态的|1>和|0>；可用于编码的物理态包括：氢原子中电子相对原子核位置偏左或偏右，电子相对原子核位置偏上或偏下，电子相对原子核位置偏前或偏后，电子公转轨道距离原子核偏远或偏近，电子绕原子核的公转方向为顺时针或逆时针，电子自旋方向为顺时针或逆时针，电子塞曼效应的能级高或低，电子运动速度的快或慢，电子自旋速度的快或慢，电子温度高或低，电子数多少，中子数多少；进一步地，在量子通信时，不同的信息或密码编码位可以同时使用字母表中的不同组，也可以同时使用字母表中的共同一组；进一步地，通信双方可以使用量子通信协议预先约定字母表的使用方法，也可以随机自行选择字母表的一组或几组进行通信。5.根据权利要求1所述的一种基于氢原子的完全量子通信方法，其特征在于：所述Bob量子通信模块(102)包括12组不同的互为正交的氢原子量子态组成字母表，能够随机选择或按需选择氢原子量子态字母表中的任意一组制备一位或多位量子态用作量子密钥或量子数据进行量子通信，也能...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡政英，屈静，
申请(专利权)人：三峡大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42