專利名稱：一種實(shí)現(xiàn)安全通信的量子加密方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及信息加密領(lǐng)域，具體地說(shuō)，涉及實(shí)現(xiàn)安全通信的量子加密方法。
目前通用的通信加密協(xié)議，主要分密鑰加密和公鑰加密兩類。所說(shuō)的密鑰協(xié)議或公鑰協(xié)議是針對(duì)加密鑰而言的，如果加密鑰是保密的，就是密鑰協(xié)議，其解密鑰與加密鑰相同；反之則是公鑰協(xié)議，其解密鑰與加密鑰不同。無(wú)論對(duì)于哪類協(xié)議，解密鑰都必須是保密的。
但是，這兩類協(xié)議都存在著共同的安全隱患。
首先，這兩類協(xié)議的安全性都依賴于假設(shè)某種算法具有較高的計(jì)算復(fù)雜性，如指數(shù)復(fù)雜性，但是這種假設(shè)通常并非嚴(yán)格有效的。例如，廣泛采用的密鑰加密協(xié)議DES實(shí)際上是易于破解的，這在密碼學(xué)界幾乎盡人皆知。而另一種流行的公鑰加密協(xié)議RSA也可以被破解。一般地說(shuō)，計(jì)算復(fù)雜性反映的是某種“最壞可能”下的計(jì)算開(kāi)銷。而有大量文獻(xiàn)一致地表明，NP(非確定圖靈機(jī)多項(xiàng)式)問(wèn)題算法的計(jì)算開(kāi)銷經(jīng)常具有高度的可變性，如計(jì)算開(kāi)銷的概率分布具有重尾特性；計(jì)算開(kāi)銷易受到問(wèn)題實(shí)例的某些參數(shù)的影響(稱為相遷移)。計(jì)算開(kāi)銷的高可變性暗示了可能存在能有效求解“困難”問(wèn)題的某些特殊的經(jīng)典算法，這在一定程度上解釋了流行加密協(xié)議被破解的原因。進(jìn)一步地說(shuō)，如果考慮到預(yù)期中的量子計(jì)算設(shè)備，依賴計(jì)算復(fù)雜性的加密協(xié)議在未來(lái)的地位是很值得可疑的。例如，Shor的量子因子分解算法的計(jì)算開(kāi)銷是多項(xiàng)式的，可以輕易地破解RSA的密鑰。
其次，密鑰在發(fā)布、存儲(chǔ)期間，可能會(huì)由于不安全的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境而被泄漏。第三，由不可靠供應(yīng)商所提供的加密系統(tǒng)可能會(huì)存在后門?，F(xiàn)有加密協(xié)議算法復(fù)雜，系統(tǒng)各組分之間耦合緊密，如果存在安全后門，很難被發(fā)現(xiàn)，造成加密系統(tǒng)的不安全性。
為了解決秘鑰發(fā)布的安全性問(wèn)題，二十世紀(jì)80年代中期，出現(xiàn)了量子密鑰發(fā)布技術(shù)，它利用了量子力學(xué)的基本原理量子系統(tǒng)對(duì)于測(cè)量的不可逆性。一般地說(shuō)，就是對(duì)量子系統(tǒng)的測(cè)量將使決定系統(tǒng)狀態(tài)的波函數(shù)發(fā)生塌縮，導(dǎo)致不可逆的信息丟失。利用這種不可逆性，能夠以任意的統(tǒng)計(jì)顯著性檢測(cè)到任何可能存在的非法偵聽(tīng)者，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)條件安全的密鑰發(fā)布。
下面介紹量子比特的定義以及量子密鑰發(fā)布機(jī)制的基本原理。
量子比特是二維復(fù)內(nèi)積空間中某組標(biāo)準(zhǔn)正交基的線性組合，一個(gè)量子比特可記為a|0＞+b|1＞，這里a、b是兩個(gè)復(fù)數(shù)，且有|a|2+|b|2＝1；|0＞和|1＞分別表示二維復(fù)向量空間的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)正交的基向量。量子力學(xué)的測(cè)量是一個(gè)概率事件，測(cè)量將使量子比特的狀態(tài)以特定的概率塌縮到測(cè)量所用的基向量或與其正交的基向量之上。
在量子加密中，通常以光子的偏振作為量子比特的物理實(shí)現(xiàn)。量子密鑰發(fā)布需要兩組不同的制備基{|0°＞，|90°＞}和{|45°＞，|135°＞}。根據(jù)量子力學(xué)原則，可以得到 這樣，用測(cè)量基|0°＞或|90°＞測(cè)量本征偏振為|45°＞或|135°＞的光子，將以等概率獲得測(cè)量結(jié)果|0°＞或|90°＞，并使被測(cè)光子的本征偏振相應(yīng)地成為|0°＞或|90°＞；同樣，用測(cè)量基|45°＞或|135°＞測(cè)量本征偏振為|0°＞或|90°＞的光子，將以等概率獲得測(cè)量結(jié)果|45°＞或|135°＞，并使被測(cè)光子的偏振相應(yīng)地成為|45°＞或|135°＞。由于測(cè)量的過(guò)程不可避免地使光子的偏振塌縮為兩個(gè)測(cè)量基之一，所以測(cè)量過(guò)程實(shí)際上也是制備具有特定偏振方向的光子的過(guò)程。
量子秘鑰發(fā)布方法是由Bennet和Brassard在1984年提出的，以下簡(jiǎn)稱該方法為BB84。

圖1是BB84方法的信道結(jié)構(gòu)示意圖，包括發(fā)送方、接收方和偵聽(tīng)方，且發(fā)送方與接收方之間通過(guò)經(jīng)典信道和量子信道連接。經(jīng)典信道可能被偵聽(tīng)，但不會(huì)被阻塞，即偵聽(tīng)方可以竊聽(tīng)到合法的發(fā)送方和接收方之間的通信，但是無(wú)法屏蔽或修改通信內(nèi)容。而量子信道既可能被偵聽(tīng)，也可能被阻塞。不可阻塞的經(jīng)典信道可以防止偽裝偵聽(tīng)，即偵聽(tīng)方屏蔽發(fā)送方和接收方之間所有的通信，依照約定的秘鑰發(fā)布協(xié)議，偽裝成合法接收者獲取密鑰。在偽裝偵聽(tīng)的情況下，除非密鑰的發(fā)送方和接收方之間預(yù)先約定某種識(shí)別標(biāo)識(shí)，否則發(fā)送方無(wú)法區(qū)分偽裝偵聽(tīng)方與合法接收方。需要指出的是，絕對(duì)不可阻塞的信道實(shí)際上并不存在，但是確實(shí)有一些相對(duì)較可靠的近似不可阻塞信道，例如在開(kāi)放空間中傳播的無(wú)線廣播和無(wú)線電報(bào)、微波衛(wèi)星通信和可靠的電話網(wǎng)PSTN等。在圖1中，粗水平線表示不可阻塞的經(jīng)典信道，細(xì)水平線表示可阻塞的量子信道；垂直線表示偵聽(tīng)方建立的非法信道；箭頭表示了信息流的方向。
如圖2所示，在進(jìn)行量子密鑰發(fā)布時(shí)，首先發(fā)送方和接收方商定一個(gè)最大可接受誤差率，如誤差率為1％；發(fā)送方通過(guò)量子信道向接收方發(fā)送一個(gè)光子序列，其中每個(gè)光子的偏振方向從|0°＞(以 表示)、|90°＞(以 表示)、|45°＞(以 表示)和| 135°＞(以 表示)這四個(gè)方向中等概率地隨機(jī)選取，不同光子偏振方向的選取統(tǒng)計(jì)獨(dú)立。接收方收到光子后，對(duì)每個(gè)光子以等概率地隨機(jī)選用矩形基({| 0°＞，| 90°＞}，即 )或?qū)腔?{| 45°＞，| 135°＞}，即 )進(jìn)行測(cè)量；然后接收方通過(guò)經(jīng)典信道向發(fā)送方宣布其每次測(cè)量所用的基；發(fā)送方通過(guò)經(jīng)典信道向接收方宣布每個(gè)光子在制備時(shí)所用的基。最后，發(fā)送方和接收方通過(guò)經(jīng)典信道檢驗(yàn)適當(dāng)比例的光子的偏振方向，即能以相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)顯著性確定偵聽(tīng)方是否進(jìn)行了偵聽(tīng)。具體地說(shuō)，發(fā)送方和接收方隨機(jī)選取m1個(gè)光子和m2個(gè)光子，分別統(tǒng)計(jì)其實(shí)驗(yàn)誤差率，即接收方測(cè)量的偏振方向與發(fā)送方制備時(shí)所用的偏振方向不相符的比率。如果任何一個(gè)實(shí)驗(yàn)誤差率大于事先約定的最大可接受誤差率，則認(rèn)為光子序列已被偵聽(tīng)方偵聽(tīng)，或者光子序列在傳輸過(guò)程中受到了超過(guò)可允許水平的噪聲的干擾，這時(shí)需要拋棄所有的數(shù)據(jù)，重新開(kāi)始新的傳輸。反之，如果兩個(gè)實(shí)驗(yàn)誤差率都小于最大可接受誤差率，則根據(jù)某種一致的約定，將偏振方向映射為二進(jìn)制比特‘0’和‘1’，然后發(fā)送方和接收方需要通過(guò)經(jīng)典信道進(jìn)行誤差校驗(yàn)、隱私放大的過(guò)程，最后獲得共享密鑰。
利用量子密鑰發(fā)布技術(shù)所形成的共享密鑰是完全隨機(jī)的，發(fā)送方無(wú)法控制密鑰的具體內(nèi)容，也就不能傳送預(yù)先確定的信息。具體地說(shuō)，如果采用量子密鑰發(fā)布機(jī)制來(lái)進(jìn)行安全通信的話，需要首先進(jìn)行密鑰發(fā)布，然后利用該密鑰和經(jīng)典的加密協(xié)議對(duì)信息進(jìn)行加密，再通過(guò)經(jīng)典信道發(fā)送加密后的信息。而如前所述，經(jīng)典加密協(xié)議的安全性存在著隱患。所以，量子密鑰發(fā)布技術(shù)不能實(shí)現(xiàn)一般的量子安全通信目的。
在選定偏振方向與二進(jìn)制比特值之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系后，光子序列可以被看作是一個(gè)比特流。在傳輸和測(cè)量的過(guò)程中，這個(gè)比特流中可能會(huì)產(chǎn)生兩類誤差a、由傳輸過(guò)程中的信道噪聲造成的誤差；b、由于發(fā)送方和接收方使用不同測(cè)量基所造成的誤差。從廣義上說(shuō)，量子安全通信的任務(wù)就是在確保安全性的前提下，從具有a、b兩類誤差的比特流中恢復(fù)發(fā)送方發(fā)送的源比特流。為達(dá)到此目的，需要解決兩個(gè)基本問(wèn)題一是如何使接收方由具有a、b兩類誤差的比特流中有效恢復(fù)源數(shù)據(jù)；二是如何確保源數(shù)據(jù)不被可能的偵聽(tīng)方探知。理論上，根據(jù)某種糾錯(cuò)編碼，簡(jiǎn)單地由發(fā)送方在光子序列中加入一定數(shù)目的糾錯(cuò)位，可以使接收方依靠所接收到的比特流實(shí)現(xiàn)完備的誤差糾正，這里實(shí)際上并沒(méi)有區(qū)分對(duì)待a、b兩類誤差。但是這種方法不具有安全性，因?yàn)楣庾有蛄兴鶎?duì)應(yīng)的比特流中包含了用以恢復(fù)源比特流的全部信息，任何量子信道的偵聽(tīng)者，只要了解光子序列使用的糾錯(cuò)碼，就可以輕易地恢復(fù)源比特流。此外，由于不區(qū)分a、b兩類誤差，需要糾錯(cuò)碼能在誤碼率大于25％的情形下有效工作，這對(duì)糾錯(cuò)碼本身提出了較高的要求。
綜上所述，利用現(xiàn)有的技術(shù)還不能有效實(shí)現(xiàn)量子安全通信。
本發(fā)明實(shí)現(xiàn)安全通信的量子加密方法包括以下步驟一、發(fā)送方將源比特流分區(qū)，并在區(qū)間進(jìn)行區(qū)級(jí)的容錯(cuò)編碼，在區(qū)內(nèi)進(jìn)行比特級(jí)的糾錯(cuò)編碼；二、發(fā)送方將經(jīng)過(guò)步驟一所得到的糾錯(cuò)—容錯(cuò)比特流的每個(gè)編碼區(qū)映射為一個(gè)光子序列，屬于同一個(gè)編碼區(qū)的光子用同一組制備基制備；三、發(fā)送方通過(guò)量子信道傳送一定數(shù)量的光子序列；四、發(fā)送方和接收方利用經(jīng)典信道驗(yàn)證本次量子通信是否被偵聽(tīng)，如果確定被偵聽(tīng)，則終止發(fā)送；如果確定沒(méi)有被偵聽(tīng)，則轉(zhuǎn)至步驟五；五、判斷所有的光子序列全是否部發(fā)送，若是，前進(jìn)至步驟六；若沒(méi)有，則回到步驟三；六、發(fā)送方利用經(jīng)典信道宣布每個(gè)編碼區(qū)的制備基，接收方根據(jù)制備基從接收的光子序列中恢復(fù)源比特流。
本發(fā)明的所述量子加密方法采用與量子密鑰發(fā)布技術(shù)相同的信道結(jié)構(gòu)，結(jié)合兩類經(jīng)典的編碼方法，實(shí)現(xiàn)了安全通信；采用本發(fā)明可以有效地判定經(jīng)過(guò)某種經(jīng)典編碼方法處理過(guò)的編碼數(shù)據(jù)在傳送過(guò)程中是否曾被偵聽(tīng)，如果已被偵聽(tīng)，則使偵聽(tīng)方截獲的編碼數(shù)據(jù)無(wú)效；如果未被偵聽(tīng)，則接收方可以由接收到的編碼數(shù)據(jù)恢復(fù)發(fā)送方的源數(shù)據(jù)。本發(fā)明所述方法與現(xiàn)有的加密協(xié)議相比，其安全性依賴于經(jīng)過(guò)嚴(yán)格檢驗(yàn)的物理規(guī)律，而非對(duì)某種“困難”算法計(jì)算復(fù)雜性的假設(shè)，而且無(wú)須使用密鑰，也就不存在密鑰泄漏的問(wèn)題；另外本方法所涉及的各模塊的功能明確、耦合松散，可相對(duì)較有效地檢測(cè)出可能存在的系統(tǒng)后門。
圖2是量子密鑰發(fā)布方法的流程示意圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明所述方法的流程示意圖。
圖4是本發(fā)明的糾錯(cuò)—容錯(cuò)編碼預(yù)處理示意圖。
本發(fā)明實(shí)現(xiàn)安全通信的量子加密方法利用與量子密鑰發(fā)布方法相同的信道配置，結(jié)合經(jīng)典的編碼方法，實(shí)現(xiàn)內(nèi)容可控的量子安全通信，其信道結(jié)構(gòu)與量子密鑰發(fā)布方法的相同，如圖1所示。所需的信道有兩個(gè)經(jīng)典信道和量子信道，在圖1中，粗水平線表示經(jīng)典信道，細(xì)水平線表示量子信道。
圖2是量子密鑰發(fā)布方法的流程示意圖，在背景技術(shù)中已詳細(xì)介紹了，此處不再贅述。
下面參見(jiàn)圖3和圖4對(duì)本發(fā)明的量子加密方法進(jìn)行詳細(xì)的介紹。
參見(jiàn)圖3，步驟301發(fā)送方將待發(fā)送的源比特流編碼為有序的糾錯(cuò)—容錯(cuò)比特流B1，B2，...，Bn+m。有關(guān)該步驟的具體處理流程如圖4所示。在進(jìn)行預(yù)處理時(shí)，發(fā)送方根據(jù)安全性的要求，選擇適當(dāng)?shù)膎和m，將待發(fā)送的源比特流順序劃分為n個(gè)長(zhǎng)度為lD的子比特流D1，D2，...，Dn，這一過(guò)程可能需要加入一定的填充比特，比如0。再將子比特流D1，D2，...，Dn編碼為n+m個(gè)長(zhǎng)度為lC的容錯(cuò)比特流C1，C2，...，Cn+m。本發(fā)明所用的容錯(cuò)碼編碼方法是用于處理因測(cè)量基和制備基不同而丟棄編碼數(shù)據(jù)區(qū)的問(wèn)題，如可以是Reed-Solomon碼編碼或Tornado碼編碼，這類編碼方法可將n個(gè)源數(shù)據(jù)區(qū)編碼為長(zhǎng)度與源數(shù)據(jù)區(qū)相同的n+m個(gè)編碼數(shù)據(jù)區(qū)(n，m∈N)，利用這n+m個(gè)編碼數(shù)據(jù)區(qū)中的任意n個(gè)，可恢復(fù)n個(gè)源數(shù)據(jù)區(qū)；如果采用Reed-Solomon碼進(jìn)行編碼，有l(wèi)C＝lD。在進(jìn)行容錯(cuò)編碼時(shí)應(yīng)注意，n和m的選擇應(yīng)確保在典型誤基率下，如50％，接收方能以足夠接近于1的概率恢復(fù)D1，D2，...，Dn。進(jìn)行容錯(cuò)編碼后，根據(jù)糾錯(cuò)編碼方法，在每個(gè)容錯(cuò)比特流Ci中的若干位置加入糾錯(cuò)位，形成n+m個(gè)長(zhǎng)度為lB的糾錯(cuò)—容錯(cuò)比特流B1，B2，...，Bn+m。糾錯(cuò)碼是用于處理編碼數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)可能的比特誤差，如卷積碼、Turbo碼等，這類編碼可以實(shí)現(xiàn)有效的比特級(jí)錯(cuò)誤校正，對(duì)糾錯(cuò)碼和糾錯(cuò)位數(shù)目的選擇應(yīng)確保在典型傳輸誤差率下，如小于1％，接收方能以足夠接近于1的概率恢復(fù)每個(gè)糾錯(cuò)—容錯(cuò)比特流的a類誤差。
步驟302發(fā)送方對(duì)源比特流進(jìn)行處理后，以一組有序的光子序列B1q，B2q，...，Bn+mq表征糾錯(cuò)—容錯(cuò)比特流B1，B2，...，Bn+m，其中每個(gè)光子序列Biq與每個(gè)比特流Bi順序地一一對(duì)應(yīng)。每個(gè)光子序列Biq(i＝1，2，...，n+m)所使用的制備基等概率地從矩形基和對(duì)角基中隨機(jī)選取。一旦每個(gè)光子序列Biq(i＝1，2，...，n+m)的制備基選定，那么該光子序列中的所有光子都使用這組基，不同的i可以選擇不同的制備基。
步驟303發(fā)送方傳送光子序列。在正式傳送比特流之前，發(fā)送方和接收方商定適當(dāng)?shù)耐ㄐ糯翱谌萘?，即發(fā)送方每次發(fā)送的光子序列的個(gè)數(shù)，記為w，為確保可能存在的偵聽(tīng)方無(wú)法獲得任何關(guān)于源數(shù)據(jù)的有效信息，有w＜n。初始化窗口計(jì)數(shù)變量.j＝0。發(fā)送方順序發(fā)送由光子表征的w個(gè)比特序列Bjw+1q，Bjw+2q，...，Bjw+wq，由于信道噪聲造成的誤差，接收方將獲得一組有輕微誤差的光子序列Bjw+1q，Bjw+2q，...，Bjw+wq。
步驟304對(duì)本次發(fā)送的光子序列進(jìn)行安全驗(yàn)證。首先，接收方為收到的帶有輕微誤差的光子序列Biq(i＝j(luò)w+1，jw+2，...，jw+w)等概率隨機(jī)地選定一組測(cè)量基，測(cè)量光子序列中Bjw+1q，Bjw+2q，...，Bjw+wq中每個(gè)光子的偏振，并映射為比特值，記錄測(cè)量結(jié)果。
發(fā)送方通過(guò)經(jīng)典信道，向接收方發(fā)送Bjw+1q，Bjw+2q，...，Bjw+wq的制備基。在統(tǒng)計(jì)上，接收方發(fā)現(xiàn)約有w/2的光子序列的制備基和測(cè)量基相同。接收方簡(jiǎn)單地拋棄制備基和測(cè)量基不同的光子序列所對(duì)應(yīng)的比特流，利用事先約定的糾錯(cuò)碼恢復(fù)制備基和測(cè)量基相同的比特流中的傳輸誤差，再?gòu)拿總€(gè)被恢復(fù)的比特流中隨機(jī)選取v個(gè)比特作為安全驗(yàn)證比特，通過(guò)經(jīng)典信道發(fā)送給發(fā)送方。
若這些驗(yàn)證比特與容錯(cuò)比特流Cjw+1，Cjw+2，...，Cjw+w中對(duì)應(yīng)的比特完全相同，則認(rèn)為本次光子序列的傳送并未被偵聽(tīng)方偵聽(tīng)，執(zhí)行步驟305，若此時(shí)光子序列沒(méi)有全部傳輸完畢，則發(fā)送方令窗口計(jì)數(shù)變量j＝j(luò)+1，繼續(xù)發(fā)送下一組w個(gè)光子序列，重復(fù)以上步驟。如果光子序列已全部傳輸完畢，則執(zhí)行步驟306，接收方發(fā)現(xiàn)約有(n+m)/2的光子序列的制備基和測(cè)量基相同，類似前面的安全驗(yàn)證過(guò)程，接收方簡(jiǎn)單拋棄制備基和測(cè)量基不同的光子序列所對(duì)應(yīng)的比特流。由于通過(guò)適當(dāng)選取n和m，可使制備基和測(cè)量基相同的光子序列數(shù)以接近于1的任意概率大于n，則利用容錯(cuò)碼的恢復(fù)過(guò)程，能以接近于1的任意概率，恢復(fù)D1，D2，...，Dn。
反之，如果某些安全驗(yàn)證比特與容錯(cuò)比特流中對(duì)應(yīng)的比特流不匹配，則認(rèn)為光子序列已被偵聽(tīng)方偵聽(tīng)，或者光子序列在傳輸過(guò)程中受到了超過(guò)可允許水平的噪聲的干擾，這時(shí)需要拋棄本次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，用一組新的隨機(jī)基重新表征 Bj·w+2，...，Bj·w+w，并向接收方發(fā)送。如果經(jīng)過(guò)多次重發(fā)仍無(wú)法通過(guò)安全驗(yàn)證，則說(shuō)明信道可能存在致命問(wèn)題，結(jié)束傳輸過(guò)程。
本發(fā)明所述方法的安全性在于通過(guò)適當(dāng)選取參數(shù)n、m、w和安全驗(yàn)證比特?cái)?shù)，能夠以接近于1的任意概率檢測(cè)出偵聽(tīng)方的存在；并且，由于數(shù)據(jù)在傳輸前經(jīng)過(guò)了容錯(cuò)的編碼處理，只要w＜n，偵聽(tīng)方在任何時(shí)候都無(wú)法擁有可以用來(lái)恢復(fù)源數(shù)據(jù)的信息。
下面通過(guò)一個(gè)示意性的例子說(shuō)明本發(fā)明的可靠性。假定待傳送的機(jī)密數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為40000比特，容錯(cuò)碼選用Reed-Solomon碼，糾錯(cuò)碼選用Turbo碼，令n＝400、m＝600、w＝250。由數(shù)據(jù)總長(zhǎng)度和n，直接得lC＝lD＝100；利用Reed－Solomon碼將長(zhǎng)度為100比特的400個(gè)源比特流編碼為長(zhǎng)度仍為100比特的1000個(gè)容錯(cuò)比特流；在每個(gè)容錯(cuò)比特流中加入充足的糾錯(cuò)位，獲得相應(yīng)的糾錯(cuò)一容錯(cuò)比特流。設(shè)定安全驗(yàn)證序列數(shù)v＝70，用光子序列表征糾錯(cuò)一容錯(cuò)比特流。發(fā)送當(dāng)前通信窗口中的w＝250個(gè)光子序列。選取v個(gè)測(cè)量基和制備基相同的光子序列作為安全驗(yàn)證序列。如果測(cè)量基和制備基相同的光子序列不足v個(gè)(出現(xiàn)這種情況的概率為Σi=069C250i(1/2)250≈4.6×10-13),]]>則將本次通信窗口中所有測(cè)量基和制備基相同的光子序列作為安全驗(yàn)證序列。由接收方通過(guò)經(jīng)典信道向發(fā)送方傳送對(duì)安全驗(yàn)證序列的測(cè)量結(jié)果。經(jīng)簡(jiǎn)單的概率計(jì)算可知，如果本次通信窗口中的光子序列被偵聽(tīng)，則驗(yàn)證序列中出現(xiàn)錯(cuò)誤比特的概率大于1-0.5250·[Σi=070C250i·0.5100·i+Σi=71250C250i·0.57000]≈1-5.53×10-76,]]>即如果偵聽(tīng)者存在，則幾乎必然被檢測(cè)到。
綜上所述，本發(fā)明所述方法利用現(xiàn)有量子密鑰發(fā)布方法的信道配置，結(jié)合經(jīng)典的編碼方法，實(shí)現(xiàn)了安全通信。
權(quán)利要求
1.一種實(shí)現(xiàn)安全通信的量子加密方法，其特征在于，包括以下步驟一、發(fā)送方將源比特流分區(qū)，并在區(qū)間進(jìn)行區(qū)級(jí)的容錯(cuò)編碼，在區(qū)內(nèi)進(jìn)行比特級(jí)的糾錯(cuò)編碼；二、發(fā)送方將經(jīng)過(guò)步驟一所得到的糾錯(cuò)—容錯(cuò)比特流的每個(gè)編碼區(qū)映射為一個(gè)光子序列，屬于同一個(gè)編碼區(qū)的光子用同一組制備基制備；三、發(fā)送方通過(guò)量子信道傳送一定數(shù)量的光子序列；四、發(fā)送方和接收方利用經(jīng)典信道驗(yàn)證本次量子通信是否被偵聽(tīng)，如果確定被偵聽(tīng)，則終止發(fā)送；如果確定沒(méi)有被偵聽(tīng)，則轉(zhuǎn)至步驟五；五、判斷所有的光子序列是否全部發(fā)送，若是，前進(jìn)至步驟六；若沒(méi)有，則回到步驟三；六、發(fā)送方利用經(jīng)典信道宣布每個(gè)編碼區(qū)的制備基，接收方根據(jù)制備基從接收的光子序列中恢復(fù)源比特流。
2.如權(quán)利要求1所述的量子加密方法，其特征在于，所述步驟一包括(一)發(fā)送方將待發(fā)送的源比特流順序劃分為長(zhǎng)度為lD的n個(gè)子比特流D1，D2，...，Dn；(二) 將子比特流D1，D2，...，Dn編碼為長(zhǎng)度為lC的n+m個(gè)容錯(cuò)比特流C1，C2，...，Cn+m；(三)在每個(gè)容錯(cuò)比特流Ci中加入糾錯(cuò)位，形成長(zhǎng)度為lB的n+m個(gè)糾錯(cuò)—容錯(cuò)比特流B1，B2，...，Bn+m。
3.如權(quán)利要求1或2所述的量子加密方法，其特征在于，所述容錯(cuò)編碼中n和m的選擇條件是在典型誤基率下，接收方能以足夠接近于1的概率恢復(fù)源比特流數(shù)據(jù)。
4.如權(quán)利要求1或2所述的量子加密方法，其特征在于，進(jìn)行所述糾錯(cuò)編碼時(shí)，選擇糾錯(cuò)碼和糾錯(cuò)位數(shù)目的條件是在典型傳輸誤差率下，接收方能以足夠接近于1的概率恢復(fù)每個(gè)糾錯(cuò)—容錯(cuò)比特流中由信道噪聲造成的誤差。
5.如權(quán)利要求1或2所述的量子加密方法，其特征在于，所述步驟二中每個(gè)光子序列所使用的制備基等概率地從矩形基和對(duì)角基中隨機(jī)選取。
6.如權(quán)利要求1或2所述的量子加密方法，其特征在于，所述步驟三中發(fā)送方發(fā)送光子序列的個(gè)數(shù)w小于源比特流的分區(qū)數(shù)n。
7.如權(quán)利要求1或2所述的量子加密方法，其特征在于，所述步驟四進(jìn)一步包括(一)接收方等概率地隨機(jī)選定一組測(cè)量基，測(cè)量收到的光子序列中每個(gè)光子的偏振，并映射為比特值，記錄測(cè)量結(jié)果；(二)發(fā)送方通過(guò)經(jīng)典信道，向接收方發(fā)送上述光子序列的制備基；(三)接收方簡(jiǎn)單拋棄制備基和測(cè)量基不同的光子序列所對(duì)應(yīng)的比特流，利用事先約定的糾錯(cuò)碼恢復(fù)制備基和測(cè)量基相同的比特流中的傳輸誤差；(四)從每個(gè)被恢復(fù)的比特流中隨機(jī)選取v個(gè)比特作為安全驗(yàn)證比特，通過(guò)經(jīng)典信道發(fā)送給發(fā)送方；(五)判斷上述安全驗(yàn)證比特與上述光子序列所對(duì)應(yīng)的容錯(cuò)比特流中對(duì)應(yīng)的比特是否完全相同，若相同，則轉(zhuǎn)至步驟五；若不相同，則前進(jìn)至下一步驟(六)；(六)拋棄本次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，用一組新的隨機(jī)基重新表征上述光子序列，向接收方發(fā)送，重復(fù)步驟(一)至(五)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種實(shí)現(xiàn)安全通信的量子加密方法，以解決現(xiàn)有量子密鑰發(fā)布技術(shù)中內(nèi)容不可控以及現(xiàn)有加密協(xié)議安全性較差等問(wèn)題，首先發(fā)送方將源比特流分區(qū)，并進(jìn)行區(qū)級(jí)的容錯(cuò)編碼和區(qū)內(nèi)的糾錯(cuò)編碼；將編碼后的比特流映射為光子序列，通過(guò)量子信道傳送一定長(zhǎng)度的光子子序列；發(fā)送方和接收方再利用經(jīng)典信道驗(yàn)證本次量子通信是否被偵聽(tīng)，若被偵聽(tīng)則認(rèn)為量子信道不安全，終止發(fā)送；若沒(méi)有，則繼續(xù)前述步驟，直至光子序列全部發(fā)送完畢；發(fā)送方宣布每個(gè)編碼區(qū)的制備基，接收方恢復(fù)源比特流。本發(fā)明采用與量子密鑰發(fā)布技術(shù)相同的信道結(jié)構(gòu)，結(jié)合兩類經(jīng)典的編碼方法，實(shí)現(xiàn)了安全通信；可有效判定經(jīng)某種經(jīng)典編碼方法處理過(guò)的編碼數(shù)據(jù)在傳送過(guò)程中是否曾被偵聽(tīng)。
文檔編號(hào)H04L9/14GK1447558SQ0211120
公開(kāi)日2003年10月8日 申請(qǐng)日期2002年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月25日
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