一种实用化的量子保密通信方法技术

本发明专利技术公开了一种实用化的量子保密通信方法，本发明专利技术主要解决既定数据量子安全直接通信的实用性问题。本发明专利技术采用经典纠错码对消息进行纠错编码并采用随机数进行加密保护，把所得到的密文作为选态序列进行非正交量子态编码，把所得到的量子态作为信号态；然后，随机产生一定数量的非正交量子态作为检测态，根据同步时钟随机发送检测态或信号态；接收端进行随机测量并根据检测态的测量结果评估量子误码率和量子响应率，利用信号态的测量结果与发送端选态序列之间的相关性进行纠错译码并获取目标消息。本发明专利技术具有无条件安全性，并且利用当前的单光子或弱相干态量子通信系统就能实现，在网络安全和保密通信领域具有良好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种实用化的量子保密通信方法
本专利技术涉及利用信息编码、纠错码、数据加密保护和量子通信技术进行保密通信的
，尤其涉及一种实用化的量子保密通信方法。
技术介绍
量子通信是通过量子信道实现信息传递的新型通信方式，其主要优点是能够检测窃听并实现无条件安全的通信。量子密钥分发(Quantumkeydistribution，QKD)和量子安全直接通信(Quantumsecuredirectcommunication，QSDC)是量子通信的两个重要研究方向，其中，QKD是一种实用化的随机数在线协商方法，但是不能直接进行既定数据的通信；QSDC是一种直接通过量子信道传递既定数据的技术，但是目前公开的技术方案需要量子纠缠系统、量子存储系统和低损耗量子信道，在目前的技术条件下无法投入实际应用。为了解决既定数据的量子安全直接通信的实用性问题，本专利技术采用经典纠错码(ECC)和数据加密技术对经典消息进行纠错编码和加密保护，并把得到的密文作为量子态的选态序列，采用非正交量子态编码方案进行量子态的制备、编码、传输和测量；接收端利用测量结果序列与发送端选态序列之间的相关性进行快速相关译码并获取消息，从而实现一种实用化的量子保密通信方法。
技术实现思路
本专利技术提供一种实用化的量子保密通信方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、发送端把需要发送的消息按m比特一组进行消息分组，并按顺序发送每一个消息分组；对每一个消息分组M采用纠错码ECC进行纠错编码，得到n比特的码字序列Ca；并采用n比特的随机数R0异或Ca得到选态序列Sa，即再根据n比特的随机数R1选择量子态制备基X或Z把Sa中的每一个比特编码为制备基X或Z中的一个量子态，并把这n个非正交量子态作为信号态；根据k比特的随机数R2选择量子态制备基X或Z把k比特的随机数R3中的每一个比特编码为制备基X或Z中的一个量子态，并把这k个非正交量子态作为检测态；然后，根据随机数R4把这k个检测态随机插入n个信号态序列并得到一个混合的量子态序列，并根据同步时钟发送所述混合的量子态序列；步骤二、接收端根据同步时钟对收到的每一个量子态，根据随机数R5主动选择或随机被动选择测量基X或Z进行测量，并得到一个测量结果；根据同步时钟，对于未检测到量子态的位置用符号‘x’进行标记；最后得到一个与发送端发送的量子态序列相对应的测量结果序列；步骤三、在发送端与接收端未事先共享R2和R4的情况下，发送端公开检测态的制备基R2、检测态的插入位置序列R4和R3；接收端把与检测态相对应的测量结果从测量结果序列中筛选出来并记为Db，把与信号态相对应的测量结果记为Sb；根据检测态的测量结果Db与R3的相关性评估量子误码率，根据Db评估量子响应率，如果量子误码率大于量子误码率阈值，或者量子响应率低于响应率阈值，协议终止；否则，把Sb中的‘x’随机替换为0或1，并得到一个与发送端选态序列Sa相对应的测量结果序列Sb；步骤四、在发送端与接收端未事先共享R0的情况下，发送端公开R0；否则，不公开R0；接收端计算接收端对Cb进行ECC译码并得到m比特的消息Mb，接收端把Mb的校验值发给发送端；步骤五、发送端计算M的校验值，并与接收端公开的校验值进行比较，如果二者不一致，所述消息分组通信失败，重发所述消息分组；否则，所述消息分组通信成功；从步骤一开始发送下一个消息分组。进一步地，所述方法还包括：所述制备基X和制备基Z是两个非正交基并分别包含两个正交量子态，所述制备基X和制备基Z分别与选基比特值0和1对应，或者与1和0对应；所述两个正交量子态分别与选态比特值0和1对应。进一步地，所述方法还包括：所述量子态包括但不限于单光子、纠缠光子和弱相干态；在单光子和多光子纠缠系统中，所述检测态与信号态都是单光子；在弱相干态系统中，检测态与信号态具有不同的平均脉冲光子数；在连续变量系统中，所述检测态与信号态包括但不限于多单光子脉冲。进一步地，所述方法还包括：所述量子态制备、编码、发送和测量的工程实现包括但不限于采用偏振编码系统和相位编码系统；所述偏振编码系统包括但不限于采用偏振态|0°＞和|90°＞组成制备基Z和测量基Z，偏振态|45°＞和|135°＞组成制备基X和测量基X；所述相位编码系统包括但不限于采用相位变化量为0和π的量子态组成制备基Z，相位变化量为π/2和3π/2的量子态组成制备基X，相应的测量基Z和测量基X分别对应于相位变化量0和π/2。进一步地，所述方法还包括：在发送端与接收端未事先共享R0的情况下，所述量子误码率阈值不大于15％；在发送端与接收端事先共享R0的情况下，所述量子误码率阈值不大于25％；所述量子误码率的评估方法为直接计算在接收端测量基与发送端制备基一致情况下的测量结果与发送端相应的选态数据之间不一致比特的比例。进一步地，所述方法还包括：所述量子响应率阈值不小于20％；所述量子响应率的评估方法为直接计算对于发送端发送N个量子态的情况下接收端实际检测到的相应量子态的比例。进一步地，所述方法还包括：所述纠错码ECC编码包括但不限于采用非线性组合器编码或LDPC编码；所述纠错码ECC编码把m比特的消息分组编码为n比特的码字序列，其中，所述m和n都是自然数，并且m小于n，n小于90000；所述纠错码ECC译码能够在比特差错概率不大于45％的情况下进行正确译码，所述纠错码ECC译码包括但不限于采用快速相关攻击译码或LDPC译码。进一步地，所述方法还包括：所述随机数R0包括每一次通信时随机产生的n比特随机数的情况，还包括发送端与接收端事先共享的n比特随机数的情况，还包括把共享的n比特随机数与随机产生的n比特R0异或所得到的随机数的情况。进一步地，所述方法还包括：所述随机数R1、R2、R3、R4和R5包括每一次通信时随机产生的随机数序列的情况和通信双方事先共享的随机数序列的情况，其中，R1和R4的比特长度是n，R2和R3的比特长度k不大于n，R5的比特长度不大于2n；当R1、R2、R3、R4和R5中的一部分或全部随机数属于通信双方事先共享的随机数序列的情况下，所述随机数不在通信协议中公开。进一步地，所述方法还包括：所述检测态随机插入信号态序列的方法包括但不限于：当k＜n时，所述随机数R4包括但不限于只包含k个1/0的n比特序列，R4中的第i个1/0对应所插入的第i个检测态的位置；当k＝n时，如果R4中的第i个比特是0/1，那么先发送第i个检测态/信号态，再发送第i个信号态/检测态；或者，如果R4中的第i个比特是1/0，那么先发送第i个检测态/信号态，再发送第i个信号态/检测态。与现有技术相比，本专利技术具有以下几方面的创新性：1.本专利技术具有基于量子物理的无条件安全性，并且利用当前的单光子或弱相干态量子通信系统就能实现；2.本专利技术利用经典纠错码技术克服量子系统响应率低和误码率高等问题，大幅度提升量子通信的效率和实用性。本专利技术在网络安全和保密通信系统中有着十分重要的实际应用价值。附图说明图1为本专利技术实施例的一种实用化的量子保密通信方法流程图；图2为本专利技术实施例的量子态编码方法一；图3为本专利技术实施例的量子态编码方法二。具体实施方式为使本专利技术的技术方案及优点更加清楚，作为本专利技术的一部分，以下结合附图及具体实施例，对本专利技术作进一步详细的说明。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种实用化的量子保密通信方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、发送端把需要发送的消息按m比特一组进行消息分组，并按顺序发送每一个消息分组；对每一个消息分组M采用纠错码ECC进行纠错编码，得到n比特的码字序列Ca；并采用n比特的随机数R0异或Ca得到选态序列Sa，即

【技术特征摘要】
1.一种实用化的量子保密通信方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、发送端把需要发送的消息按m比特一组进行消息分组，并按顺序发送每一个消息分组；对每一个消息分组M采用纠错码ECC进行纠错编码，得到n比特的码字序列Ca；并采用n比特的随机数R0异或Ca得到选态序列Sa，即再根据n比特的随机数R1选择量子态制备基X或Z把Sa中的每一个比特编码为制备基X或Z中的一个量子态，并把这n个非正交量子态作为信号态；根据k比特的随机数R2选择量子态制备基X或Z把k比特的随机数R3中的每一个比特编码为制备基X或Z中的一个量子态，并把这k个非正交量子态作为检测态；然后，根据随机数R4把这k个检测态随机插入n个信号态序列并得到一个混合的量子态序列，并根据同步时钟发送所述混合的量子态序列；步骤二、接收端根据同步时钟对收到的每一个量子态，根据随机数R5主动选择或随机被动选择测量基X或Z进行测量，并得到一个测量结果；根据同步时钟，对于未检测到量子态的位置用符号‘x’进行标记；最后得到一个与发送端发送的量子态序列相对应的测量结果序列；步骤三、在发送端与接收端未事先共享R2和R4的情况下，发送端公开检测态的制备基R2、检测态的插入位置序列R4和R3；接收端把与检测态相对应的测量结果从测量结果序列中筛选出来并记为Db，把与信号态相对应的测量结果记为Sb；根据检测态的测量结果Db与R3的相关性评估量子误码率，根据Db评估量子响应率，如果量子误码率大于量子误码率阈值，或者量子响应率低于响应率阈值，协议终止；否则，把Sb中的‘x’随机替换为0或1，并得到一个与发送端选态序列Sa相对应的测量结果序列Sb；步骤四、在发送端与接收端未事先共享R0的情况下，发送端公开R0；否则，不公开R0；接收端计算接收端对Cb进行ECC译码并得到m比特的消息Mb，接收端把Mb的校验值发给发送端；步骤五、发送端计算M的校验值，并与接收端公开的校验值进行比较，如果二者不一致，所述消息分组通信失败，重发所述消息分组；否则，所述消息分组通信成功；从步骤一开始发送下一个消息分组。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述制备基X和制备基Z是两个非正交基并分别包含两个正交量子态，所述制备基X和制备基Z分别与选基比特值0和1对应，或者与1和0对应；所述两个正交量子态分别与选态比特值0和1对应。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述量子态包括但不限于单光子、纠缠光子和弱相干态；在单光子和多光子纠缠系统中，所述检测态与信号态都是单光子；在弱相干态系统中，检测态与信号态具有不同的平均脉冲光子数；在连续变量系统中，所述检测态与信号态包括但不限于多单光子脉冲。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述量子态制备...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊英，陈娟，
申请(专利权)人：熊英，
类型：发明
国别省市：四川,51