本發(fā)明涉及量子密碼學(xué)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

密鑰的創(chuàng)建和分配是加密通信的先決條件。量子密碼學(xué)(qkd)可以用于產(chǎn)生并且分配密鑰，但是不用于傳輸任何信息數(shù)據(jù)。相比較計(jì)算安全密鑰分配技術(shù)，量子密碼學(xué)的一個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)是存在量子密碼學(xué)協(xié)議，其安全性可以在理論信息設(shè)置中形式上地建立。即便當(dāng)一些計(jì)算技術(shù)用于經(jīng)典信道的鑒定目的，量子密碼學(xué)可以保證永久的安全性。

對(duì)于密鑰建立協(xié)議，永久的安全性特別地意味著一旦協(xié)議終止并且密鑰已分配，其安全性不能在將來(lái)的任何時(shí)候受到損壞，不論計(jì)算能力，或者是任何潛在的攻擊者所進(jìn)行的密碼分析的發(fā)展。如此強(qiáng)大的安全性的保證是不能通過(guò)計(jì)算技術(shù)來(lái)獲得的。

盡管能夠提供永久的安全性，量子密碼學(xué)在性能和資源需求方面仍表現(xiàn)出局限性。到今天為止，量子密碼學(xué)可以可靠地部署在城市距離內(nèi)(80公里以下)。長(zhǎng)距離量子密碼學(xué)可以通過(guò)光纖用于直到數(shù)百公里的距離，但是可實(shí)現(xiàn)的密鑰速率很低或者不足以用于特定用途。此外，因?yàn)闄z測(cè)器噪聲、后加工效率以及系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求都隨著距離而增加，很難部署具有可靠性的超長(zhǎng)距離量子密碼學(xué)。

作為明顯的限制，量子密碼學(xué)不能與光學(xué)放大器兼容。因此，在沒(méi)有可靠的量子中繼器的情況下，利用量子密碼學(xué)可實(shí)現(xiàn)的距離僅僅可以延伸到利用經(jīng)典可信任的中繼器的單個(gè)量子密碼學(xué)鏈路的范圍之外。這樣的中繼器通常要求復(fù)雜并且昂貴的具體措施來(lái)保證其安全性。因此，具有可信任的中繼器的量子密碼學(xué)不符合端對(duì)端安全性范例，因此構(gòu)成了局限性。量子密碼學(xué)還表現(xiàn)出其他局限性。

在2005年公布的標(biāo)題為“通過(guò)光學(xué)放大波分復(fù)用通信網(wǎng)絡(luò)的基于量子數(shù)據(jù)加密的相干態(tài)”的專利文件wo2005046114公開(kāi)了利用光學(xué)放大的雙模式相干態(tài)的量子加密協(xié)議，其結(jié)果是與現(xiàn)有的波分復(fù)用基礎(chǔ)設(shè)施相兼容的極化的獨(dú)立系統(tǒng)，并且其提供了適合于通過(guò)串聯(lián)放大線路的波分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)的安全數(shù)據(jù)加密。該方案的安全性本質(zhì)上與計(jì)算安全的潛在密碼的安全性相關(guān)。這樣的通過(guò)計(jì)算安全加密的方案的安全性優(yōu)點(diǎn)，尤其是永久安全性不能夠建立。因此該方法表現(xiàn)出局限性。

需要方法和系統(tǒng)用于在遙遠(yuǎn)的a方和b方之間傳遞具有永久安全性的消息m，特別是可以實(shí)現(xiàn)非可信任的中繼器。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明公開(kāi)了一種通過(guò)公共信道在第一方和遙遠(yuǎn)的第二方之間傳遞經(jīng)典消息的方法，其包括在所述各方之間共享密鑰的步驟，所述共享密鑰包括短期安全密鑰(ks)和/或長(zhǎng)期安全密鑰(kl)；在第一方將經(jīng)典消息編碼為量子碼字，第一方利用共享密鑰將經(jīng)典消息編碼為屬于公知的量子碼的第一加密碼字；將第一加密碼字通過(guò)公共信道從第一方傳遞到第二方，該公共信道的輸出為第二碼字；通過(guò)利用由第二方控制的、放置在公共信道輸出并且由共享密鑰來(lái)鍵控的n模式干涉儀單一地將第二碼字轉(zhuǎn)變?yōu)榈谌a字；在第二方通過(guò)執(zhí)行對(duì)第三碼字的測(cè)量并且通過(guò)利用共享密鑰處理所述測(cè)量來(lái)確定出經(jīng)典消息的估計(jì)。

在實(shí)施方案中，公開(kāi)了一種在遙遠(yuǎn)的a(alice)和b(bob)之間通過(guò)在a和b之間共享短期安全經(jīng)典密鑰k，并且通過(guò)利用公共量子信道和經(jīng)典已認(rèn)證信道來(lái)傳遞長(zhǎng)期安全經(jīng)典消息m的方法。在實(shí)施方案中，如果關(guān)于消息的任何竊聽(tīng)者e(eve)的可訪問(wèn)信息可以以任意選擇的接近0的數(shù)量為上限，并且如果所述界限總是保持有效，則經(jīng)典消息是長(zhǎng)期安全的；并且如果關(guān)于消息的任何竊聽(tīng)者e的可訪問(wèn)信息可以以接近0的可以任意選擇的數(shù)量為上限，并且如果該界限在至少為tau的持續(xù)時(shí)間間隔期間有效，則經(jīng)典消息在持續(xù)時(shí)間tau期間是短期安全的。所描述的進(jìn)展包括以下步驟：在a和b之間通過(guò)經(jīng)典認(rèn)證信道共享短期安全密鑰k；使用短期安全密鑰k將在a處的經(jīng)典消息m編碼為量子態(tài)，并且通過(guò)量子信道向b處發(fā)送量子態(tài)；使用k和在量子信道的輸出所接收的量子態(tài)在b處將信息m進(jìn)行解碼。實(shí)施方案進(jìn)一步包括：使用計(jì)算安全公鑰和/或?qū)ΨQ密鑰加密、使用糾錯(cuò)碼、在輸入使用相干態(tài)的結(jié)果、使用單模式(自適應(yīng)或者非自適應(yīng))相干或者直接檢測(cè)接收機(jī)。上述為系統(tǒng)和軟件方面的描述。

有利地，所公開(kāi)的量子加密協(xié)議，即混合經(jīng)典和量子密碼學(xué)，其提供了一種全面的安全模型，針對(duì)具有給定資源和攻擊策略的攻擊者，根據(jù)該模型可以明確地定義出在給定信道上的協(xié)議可實(shí)現(xiàn)的性能。

有利地，在一些實(shí)施方案中，如果在所交換的密鑰k短期安全的、大于時(shí)間tau的期間內(nèi)，竊聽(tīng)者不能相干地存儲(chǔ)量子信息，與計(jì)算安全加密相比，使用量子信道和短期安全密鑰k的a和b可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期安全性，甚至可組合的信息理論安全性。

有利地，在一些實(shí)施方案中，與共享安全隨機(jī)密鑰的量子密碼學(xué)相比，a和b可以安全地共享確定的消息m。

有利地，本發(fā)明的實(shí)施方案可以實(shí)現(xiàn)“擴(kuò)展安全性”：在量子編碼期間使用糾錯(cuò)碼使得達(dá)到與量子密碼學(xué)相比提高的性能：更大的可容忍的信道損耗、較高的可容忍的信道誤碼率、較大的編碼器和接收機(jī)噪聲、無(wú)需反饋的信道。

有利地，在一些實(shí)施方案中，特別是當(dāng)與量子密碼學(xué)相比時(shí)，a和b甚至不需要在b處執(zhí)行測(cè)量，以便對(duì)由e所捕獲的信息進(jìn)行上限處理，因?yàn)樵摻缦迌H取決于由a所發(fā)送的狀態(tài)。

有利地，在一些實(shí)施方案中，特別是當(dāng)與量子密碼學(xué)相比時(shí)，該方法與包含光學(xué)放大器的光學(xué)信道和波分多路復(fù)用光網(wǎng)絡(luò)相兼容。

在一些實(shí)施方案中，所公開(kāi)的方法和系統(tǒng)有利地實(shí)現(xiàn)一些可控性。例如，可以調(diào)整與所述方法的一些實(shí)施方案相關(guān)聯(lián)的，例如(n，alpha)的參數(shù)，以優(yōu)化在給定信道(以損耗率和誤碼率為特征)上的性能(例如，給出正確性參數(shù)epsilon的可實(shí)現(xiàn)的通信速率r)。

有利地，本發(fā)明的實(shí)施方案可以在沒(méi)有過(guò)多努力和成本的情況下實(shí)施，同時(shí)對(duì)現(xiàn)有電信組件和系統(tǒng)進(jìn)行最小的硬件改變(例如通過(guò)使用現(xiàn)在廣泛地用于長(zhǎng)距離相干經(jīng)典通信的相干態(tài)的相位調(diào)制和零差檢測(cè))。

有利地，本發(fā)明的實(shí)施方案允許執(zhí)行最佳測(cè)量，并達(dá)到或者接近用于通過(guò)a和b之間的量子信道進(jìn)行通信的經(jīng)典容量，同時(shí)可以實(shí)施為實(shí)際的現(xiàn)有接收機(jī)，即可以實(shí)施為當(dāng)前技術(shù)。

在一些實(shí)施方案中，所公開(kāi)的發(fā)明可以直接實(shí)施為現(xiàn)有的相干通信發(fā)射器、相位調(diào)制器和接收機(jī)。

有利地，本發(fā)明的實(shí)施方案使得“飛行中的數(shù)據(jù)”(例如數(shù)據(jù)傳輸期間的數(shù)據(jù)流)的安全性具有“靜止數(shù)據(jù)”(例如在數(shù)據(jù)中心、云計(jì)算數(shù)據(jù)庫(kù)等中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的密鑰管理)的安全性的應(yīng)用。

有利地，本發(fā)明的一些實(shí)施方案可以實(shí)施在包括波分多路復(fù)用光網(wǎng)絡(luò)和包含光學(xué)放大器的網(wǎng)絡(luò)的光纖網(wǎng)絡(luò)中，或者實(shí)施在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中。應(yīng)用范圍從軍事目的到常規(guī)和國(guó)內(nèi)目的(例如銀行、政府、投票機(jī)、加密貨幣、電子商務(wù)等)。

在實(shí)施方案中，公開(kāi)了一種在遙遠(yuǎn)的a方和b方之間傳遞消息的方法，其包括使用計(jì)算安全加密函數(shù)enc來(lái)加密結(jié)果狀態(tài)或者非糾纏的量子碼字的步驟，其中，在至少為tau_enc的時(shí)間內(nèi)，enc是短期安全的，而存儲(chǔ)在量子存儲(chǔ)器中的任何信息在嚴(yán)格低于tau_enc的tau_q時(shí)間內(nèi)完全退相干。進(jìn)展包括使用長(zhǎng)期安全對(duì)稱密鑰、量子數(shù)據(jù)鎖定、短期安全短暫屏蔽、二進(jìn)制相移鍵控編碼、輸入信號(hào)能量的物理限制l、二進(jìn)制相移鍵控字母表上的hadamard碼、以及傳播損耗的補(bǔ)償。系統(tǒng)方面描述了使用干涉儀、單符號(hào)接收機(jī)、單光子檢測(cè)器、零差和外差檢測(cè)器、kennedy接收機(jī)、dolinar接收機(jī)和量子歸零接收機(jī)。

有利地，本發(fā)明的實(shí)施方案能夠?qū)崿F(xiàn)“后量子”安全模型，即，允許具有永久安全性，并且特別是具有針對(duì)操作量子計(jì)算機(jī)的攻擊者的安全性的密鑰分配協(xié)議。

有利地，本發(fā)明的實(shí)施方案將結(jié)構(gòu)性代碼的超加性的性能和量子數(shù)據(jù)鎖定相結(jié)合。

有利地，本發(fā)明的實(shí)施方案解除了現(xiàn)有量子數(shù)據(jù)鎖定方案的主要限制中的其中一個(gè)，其依賴于不能有效解碼的隨機(jī)碼。

有利地，本發(fā)明的實(shí)施方案能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)距離安全通信或者具有永久安全性的密鑰分配。

有利地，本發(fā)明的實(shí)施方案可以實(shí)施為對(duì)現(xiàn)有電信組件和系統(tǒng)的最小硬件改變。

本發(fā)明公開(kāi)了一種通過(guò)有損和/或含噪的公共量子信道f在遙遠(yuǎn)的a方和b方之間安全地傳遞經(jīng)典消息m的方法和顯式協(xié)議，其包括：在n個(gè)模式下，使用經(jīng)典量子編碼c將m編碼為光學(xué)碼字的步驟，該光學(xué)碼字作為具有被視為量子位的低光子數(shù)的n個(gè)相干態(tài)的結(jié)果，以及通過(guò)使用計(jì)算安全機(jī)制，通過(guò)執(zhí)行由a和b之間共享的密鑰流ks索引的單模式單一轉(zhuǎn)變將量子位上攜帶的信息加密的步驟。一經(jīng)接收(含噪)量子碼字，b使用由分束器和移相器組成的n模式光學(xué)干涉儀來(lái)組合n個(gè)所接收的模式。b使用ks在干涉儀路徑內(nèi)應(yīng)用一些單模式單一轉(zhuǎn)變。這種ks鍵控干涉儀i的整體效果用于撤銷量子位級(jí)別的加密并且獲得多模式干涉，使得由a使用的多模式碼字所組成的代碼c單一地映射到由單模式碼字組成的代碼c'，因此可以用現(xiàn)有檢測(cè)器實(shí)際檢測(cè)。

根據(jù)本發(fā)明，在名為“愛(ài)斯基摩人(esquimo)”(即“強(qiáng)于量子含噪存儲(chǔ)器的加密”)的框架中，根據(jù)該框架，量子存儲(chǔ)時(shí)間為tau_q(n)，在此期間，編碼在長(zhǎng)度為n的量子碼字上的可檢索經(jīng)典消息的小部分以至少1/2衰減，使得對(duì)于一些n、tay_q(n)<<tau_enc，作為計(jì)算加密技術(shù)用于導(dǎo)出ks的時(shí)間的所述時(shí)間tau_enc可以被認(rèn)為是安全的。

本發(fā)明公開(kāi)了顯式協(xié)議(消息m、編碼c、使用ks的光學(xué)碼字的相位加密、干涉儀i、光接收機(jī)和由bob進(jìn)行的后處理)，使得在愛(ài)斯基摩人框架(或者模式)下，m上的eve信息ie可以被限制在通過(guò)信道f在alice和bob之間共享的信息之下。

在相干態(tài)的多模式的結(jié)果上的可能的編碼c包括：通過(guò)二進(jìn)制移相鍵控或者m進(jìn)制移相鍵控調(diào)制的相干態(tài)的重復(fù)碼；通過(guò)二進(jìn)制移相鍵控調(diào)制的相干態(tài)的hadamard碼。

本發(fā)明公開(kāi)了一種協(xié)議和顯式設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)用于編碼c的非可信任中繼器，該編碼c在于通過(guò)m進(jìn)制移相鍵控調(diào)制的重復(fù)碼。這樣的中繼器例如可以放置在信道f上以補(bǔ)償損耗。在本發(fā)明的一方面，對(duì)于(編碼、中繼器、解碼的)適當(dāng)參數(shù)，盡管中繼器不被信任，a與b之間的通信相對(duì)于攻擊者(包括惡意接收機(jī))的安全性也不會(huì)妥協(xié)。

所公開(kāi)的方法和協(xié)議允許在alice和bob之間建立有效的經(jīng)典竊聽(tīng)信道。然后經(jīng)典竊聽(tīng)編碼(外碼)可以用于以取決于量子信道f的特性和協(xié)議(編碼c、干涉儀i、光學(xué)接收機(jī)和bob的解碼策略)的速率在a和b之間可靠并且安全地傳遞經(jīng)典消息。

系統(tǒng)方面描述了使用相位調(diào)制器、相位敏感放大器(psa)、相位不敏感放大器(pia)、由移相器和分束器組成的多模式玻色子干涉儀、單光子檢測(cè)器、零差和外差檢測(cè)器、kennedy接收機(jī)、dolinar接收機(jī)和量子歸零接收機(jī)。

有利地，本發(fā)明的實(shí)施方案僅僅依賴于用于推導(dǎo)出短期秘密的對(duì)稱加密技術(shù)，因此能夠?qū)崿F(xiàn)針對(duì)“后量子”攻擊者的永久安全通信。

有利地，本發(fā)明的實(shí)施方案可以使用短期安全加密來(lái)模糊不同模式之間的相干關(guān)系，以限制eve在m上的可訪問(wèn)信息。

有利地，本發(fā)明的實(shí)施方案可以組合結(jié)構(gòu)性代碼的超加性和短期安全加密的性能，從而限制eve的可訪問(wèn)信息。

有利地，本發(fā)明的實(shí)施方案可以將量子數(shù)據(jù)鎖定碼的性能與短期安全加密結(jié)合，從而限制eve的可訪問(wèn)信息。

有利地，本發(fā)明的實(shí)施方案可以解除現(xiàn)有量子數(shù)據(jù)鎖定方案的主要限制中的一個(gè)，并且同時(shí)實(shí)施為結(jié)構(gòu)化量子數(shù)據(jù)鎖定碼。

有利地，本發(fā)明的實(shí)施方案可以實(shí)現(xiàn)具有永久安全性的安全通信。

有利地，本發(fā)明的實(shí)施方案可以使用相位敏感放大器或者相位不敏感放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)非可信任的中繼器，其能夠補(bǔ)償損耗，并且因此能夠在無(wú)限距離上實(shí)現(xiàn)具有永久安全性和非零速率的安全通信。

有利地，本發(fā)明的實(shí)施方案可以實(shí)施為對(duì)現(xiàn)有電信組件和系統(tǒng)的有限硬件改變，并且特別實(shí)施為與長(zhǎng)距離量子密碼學(xué)所需的檢測(cè)器相比，具有更多噪聲的檢測(cè)器。

有利地，本發(fā)明的實(shí)施方案使得“飛行中的數(shù)據(jù)”(例如數(shù)據(jù)傳輸期間的數(shù)據(jù)流)的安全性具有“靜止數(shù)據(jù)”的安全性的應(yīng)用(例如在數(shù)據(jù)中心、云計(jì)算數(shù)據(jù)庫(kù)等中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的密鑰管理)。

有利地，本發(fā)明的一些實(shí)施方案可以實(shí)施在包括波分多路復(fù)用光網(wǎng)絡(luò)和包含光學(xué)放大器的網(wǎng)絡(luò)的光纖網(wǎng)絡(luò)中，或者實(shí)施在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中。應(yīng)用范圍從軍事目的到常規(guī)和國(guó)內(nèi)目的(例如銀行、政府、投票機(jī)、加密貨幣、電子商務(wù)等)。

本發(fā)明公開(kāi)了在遙遠(yuǎn)的各方之間安全地傳遞消息的具有永久安全性的實(shí)用系統(tǒng)和方法。

有利地，可以正式建立(即根據(jù)數(shù)學(xué)邏輯證明)所公開(kāi)的方法和系統(tǒng)的永久安全性。

有利地，本發(fā)明的實(shí)施方案使得能夠?qū)崿F(xiàn)超越量子密碼學(xué)所針對(duì)的無(wú)條件安全性標(biāo)準(zhǔn)的新的安全模型。

有利地，所公開(kāi)的方法和系統(tǒng)可以被認(rèn)定為“實(shí)際”，即實(shí)施為現(xiàn)有硬件，和/或能夠用更少的資源獲得與量子密碼學(xué)相當(dāng)或者更好的性能。

附圖說(shuō)明

本發(fā)明的實(shí)施方案參考附圖以示例的方式進(jìn)行描述，其中相似的附圖標(biāo)記表示相似的元素，并且其中：

圖1提供了根據(jù)本發(fā)明的安全模型的總體視圖；

圖2顯示了根據(jù)本發(fā)明的示例性系統(tǒng)的某些方面；

圖3顯示了本發(fā)明的實(shí)施方案；

圖4顯示了本發(fā)明的示例性實(shí)施方案的某些方面。

具體實(shí)施方式

本專利申請(qǐng)的題目為“來(lái)自于短期安全加密量子通信的具有永久安全性的通信”，是2015年10月1日提交的題目為“具有永久安全性的實(shí)用量子密碼學(xué)”的改進(jìn)專利申請(qǐng)，該申請(qǐng)是2015年1月9日提交的題目為“混合經(jīng)典量子密碼學(xué)”的專利申請(qǐng)no.ep15305017.4的改進(jìn)專利，其內(nèi)容在此合并。

“可訪問(wèn)信息”或者lacc(m；rho)由最大經(jīng)典交互信息(在量子態(tài)rho下所有可能的局部測(cè)量的最大化)來(lái)定義，該最大經(jīng)典交互信息可以從關(guān)于經(jīng)典消息m的量子態(tài)rho中獲悉。

如果關(guān)于消息的任何竊聽(tīng)者e的可訪問(wèn)信息可以以接近0的可以任意選擇的數(shù)量為上限，并且如果該界限總是保持有效，該經(jīng)典消息是長(zhǎng)期安全的。

如果關(guān)于消息的任意竊聽(tīng)者e的可訪問(wèn)信息可以以接近0的可以任意選擇的數(shù)量為上限，并且如果該界限在至少為tau的持續(xù)時(shí)間間隔期間有效，則經(jīng)典消息在持續(xù)時(shí)間tau期間是短期安全的。

在現(xiàn)實(shí)的假設(shè)下，持有量子態(tài)rho_e的竊聽(tīng)者e不具有量子存儲(chǔ)器，或者具有在短時(shí)間內(nèi)退相干的量子存儲(chǔ)器，然后長(zhǎng)期安全的通信協(xié)議(由竊聽(tīng)者獲得的可忽略的可訪問(wèn)信息所量化)可以轉(zhuǎn)變?yōu)榭山M合的信息理論安全所適用的通信協(xié)議。

“計(jì)算安全(cs)”系統(tǒng)是一種安全系統(tǒng)，其假設(shè)任何敵對(duì)者從計(jì)算方面講是受限的，因?yàn)樗械臄硨?duì)者是在實(shí)際中的。因?yàn)閱?wèn)題的困難程度難以證明，所以實(shí)際上某些問(wèn)題是“假設(shè)”困難(計(jì)算困難假設(shè))。一些常見(jiàn)的密碼困難假設(shè)或者問(wèn)題的非詳細(xì)清單，例如包括：整數(shù)因式分解、rsa問(wèn)題(強(qiáng)于因式分解)、二次剩余問(wèn)題(強(qiáng)于因式分解)、確定性復(fù)合剩余假設(shè)(強(qiáng)于因式分解)、高剩余問(wèn)題(強(qiáng)于因式分解)、phi隱藏假設(shè)(強(qiáng)于因式分解)、離散對(duì)數(shù)問(wèn)題(dlp)、計(jì)算diffie–hellman假設(shè)(cdh；強(qiáng)于離散對(duì)數(shù)問(wèn)題)、確定性diffie–hellman假設(shè)(ddh；強(qiáng)于計(jì)算diffie–hellman假設(shè))、以及最短向量問(wèn)題。

在非正交狀態(tài)之間區(qū)分的不可能性是量子力學(xué)的基本原則。

在物理學(xué)中，在量子力學(xué)中，“相干態(tài)”相當(dāng)于諧振子漢密爾頓函數(shù)的特征向量。這樣的狀態(tài)非常重要，尤其在光學(xué)上，因?yàn)榧す馄?大大超過(guò)閾值來(lái)操作的)代表性地產(chǎn)生可以描述為光的相干態(tài)的光的狀態(tài)。

將經(jīng)典消息(x)在量子態(tài)psi上“編碼”的步驟意為將單一運(yùn)算ux(取決于x)應(yīng)用于量子態(tài)psi上。

將在量子態(tài)rho上編碼的信息x解碼的步驟指的是，在rho上執(zhí)行測(cè)量(可能的聯(lián)合測(cè)量)并且在所獲得的測(cè)量結(jié)果上可能執(zhí)行隨后的經(jīng)典后處理以建立x的估計(jì)的步驟。

公開(kāi)了一種在遙遠(yuǎn)的a方和b方之間通過(guò)在a和b之間共享短期安全經(jīng)典密鑰k并且通過(guò)利用公共量子信道和經(jīng)典已認(rèn)證信道來(lái)傳遞長(zhǎng)期安全經(jīng)典消息m的(計(jì)算機(jī)實(shí)施的)方法。

根據(jù)本發(fā)明的一方面，公開(kāi)了一種“混合”安全模型(即將經(jīng)典密碼學(xué)和量子密碼學(xué)結(jié)合到特定的方式中)。所公開(kāi)的發(fā)明的實(shí)施方案，例如，能夠建立安全的雙方密碼原語(yǔ)。這樣的進(jìn)展包括：例如，比特承諾、拋硬幣或者異或計(jì)算。相關(guān)地，這樣的雙方密碼協(xié)議可以用于建立任何安全多方協(xié)議。

進(jìn)一步地，如果關(guān)于消息的任何竊聽(tīng)者e的可訪問(wèn)信息可以以接近0的可以任意選擇的數(shù)量為上限，并且如果所述界限總是保持有效，該經(jīng)典消息是長(zhǎng)期安全的。

進(jìn)一步地，如果關(guān)于消息的任意竊聽(tīng)者e的可訪問(wèn)信息可以以接近0的可以任意選擇的數(shù)量為上限，并且如果該界限在至少為tau的持續(xù)時(shí)間間隔期間有效，則經(jīng)典消息在持續(xù)時(shí)間tau期間是短期安全的。

進(jìn)一步地，所述方法包括以下步驟：在a和b之間通過(guò)經(jīng)典已認(rèn)證信道來(lái)共享短期安全密鑰k；利用短期安全密鑰k將在a處的經(jīng)典消息m編碼為量子態(tài)，并且通過(guò)量子信道向b處發(fā)送量子態(tài)；利用k和在量子信道的輸出所接收的量子態(tài)在b處可靠地解碼消息m。

進(jìn)一步地，所述短期安全密鑰k可以定期更新。a可以利用安全的隨機(jī)發(fā)生器(例如量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器)來(lái)產(chǎn)生密鑰流s，然后可以利用前述的方法向b安全地發(fā)送密鑰流s。然后該密鑰流s可以用于替換k。

進(jìn)一步地，從a到b共享短期安全密鑰k的步驟依賴于或者包括計(jì)算安全公共密鑰加密。

在實(shí)施方案中，a可以利用b的公共密鑰來(lái)加密k，并且可以通過(guò)經(jīng)典已認(rèn)證信道來(lái)將其發(fā)送到b。在實(shí)施方案中，a和b可以首先共享預(yù)共享長(zhǎng)期安全密鑰kseed。a和b都可以利用計(jì)算安全對(duì)稱密鑰加密算法來(lái)將kseed擴(kuò)大到k中。

進(jìn)一步地，計(jì)算安全加密方案包括分組密碼和/或流密碼。在實(shí)施方案中，運(yùn)用了高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(aes)128。在實(shí)施方案中，運(yùn)用了高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)256。在一些實(shí)施方案中，可以運(yùn)用例如雙魚算法、serpent、高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(rijndael)、blowfish、cast5、rc4、3des、skipjack、safer+/++和idea(以及其組合)的算法。

進(jìn)一步地，從a到b共享短期安全密鑰k的步驟包括：利用計(jì)算安全公共密鑰加密來(lái)分配|kseed|<<|k|的密鑰kseed的步驟；以及利用對(duì)稱密鑰加密來(lái)將kseed擴(kuò)大到k中的步驟。

進(jìn)一步地，在a處將m編碼到量子態(tài)中的步驟通過(guò)將m編碼到尺寸為n的結(jié)果狀態(tài)來(lái)進(jìn)行，該結(jié)果狀態(tài)利用量子信道經(jīng)由n來(lái)通信，并且其中，在解碼的步驟期間在b處所進(jìn)行的測(cè)量是每個(gè)n信道輸出的單獨(dú)的或者逐項(xiàng)的測(cè)量。

根據(jù)本發(fā)明的一方面，來(lái)自于協(xié)議的安全性可以基于竊聽(tīng)者受使用期限短的量子存儲(chǔ)器所限的事實(shí)，其不能夠獲悉相干信息并且因此受限于模糊態(tài)的可訪問(wèn)信息。該可訪問(wèn)信息可以以少量為上限。另一方面，b可以利用可能適用的本地操作來(lái)反模糊并且測(cè)量連續(xù)的信道輸出，并且可以估計(jì)或者確定a發(fā)送的信息。在一些實(shí)施方案中，所述信息可以接近最佳信息。

進(jìn)一步地，在a處將消息m編碼的步驟包括利用等于n*alpha^2的光量子總數(shù)將消息m光學(xué)編碼到n個(gè)光的量子相干態(tài)的結(jié)果中。

進(jìn)一步地，在a處將消息m編碼到n個(gè)光的量子相干態(tài)的結(jié)果中的步驟，包括將在a處的每個(gè)相干態(tài)進(jìn)行相位和/或振幅調(diào)制的步驟。

進(jìn)一步地，密鑰k由n*p比特構(gòu)成，其中p是大于1的整數(shù)；所述短期安全密鑰k用于確定具有解析度2pi/2^p的n個(gè)角度{theta1，theta2，…，thetan}。進(jìn)一步地，所述消息m與|m|的不同值有關(guān)，其以比特為單位，長(zhǎng)度等于k＝log2|m|。進(jìn)一步地，在a處利用短期安全密鑰k將消息m編碼到光量子碼字中的步驟，包括以下步驟：應(yīng)用秘密共享方案s和隨后的糾錯(cuò)碼c將k比特的消息m編碼到l比特的經(jīng)典碼字c(m)中的步驟；將l比特的經(jīng)典碼字c(m)光學(xué)編碼到n個(gè)相位編碼脈沖的結(jié)果中，其中l(wèi)＝n*m，每個(gè)相位編碼脈沖是振幅alpha和選自m進(jìn)制相位星座圖中的相位的相干態(tài)，將m比特進(jìn)行編碼；以及將角度theta_i(i＝1…n)的相位旋轉(zhuǎn)應(yīng)用到n個(gè)脈沖的每一個(gè)。

所述步驟定義了將m編碼到長(zhǎng)度為n的光量子碼字中，即通過(guò)使用n個(gè)信道發(fā)送到量子信道上的n個(gè)相干態(tài)、n個(gè)光脈沖的結(jié)果狀態(tài)。

進(jìn)一步地，在b處通過(guò)利用短期安全密鑰k將所接收的光量子碼字解碼到m的估計(jì)中的步驟包括如下步驟：

將角度theta_i(i＝1…n)的反相位旋轉(zhuǎn)應(yīng)用到所接收的ith光脈沖；隨后在n個(gè)光脈沖的每一個(gè)上執(zhí)行單獨(dú)的或者適合的相干測(cè)量；并且從n個(gè)測(cè)量中確定消息m。

進(jìn)一步地，該方法進(jìn)一步包括生成ns份的消息m的步驟，其根據(jù)秘密共享方案s(t，ns)被認(rèn)為是輸入，因此ns份中至少t個(gè)的信息對(duì)恢復(fù)消息m來(lái)說(shuō)是有必要的。

秘密共享(也稱為秘密分隔)指的是在一組n個(gè)參與者(例如，a、b、c、d等)中分配秘密的方法，其中每一個(gè)被分配一份秘密。該秘密僅當(dāng)可能的不同類型、足夠數(shù)量的份數(shù)結(jié)合在一起時(shí)才可以被重建；單獨(dú)的一份本身是無(wú)用的。每個(gè)參與者被給予一份秘密，以這種方式，t(用于閾值)中的任意組或者更多的參與者可以一起重建秘密，但是少于t個(gè)參與者的組不可以重建秘密。這樣的系統(tǒng)成為(t，n)閾值方案。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，增加t會(huì)增加要攻擊的量子存儲(chǔ)器所要求的尺寸，因此會(huì)增加這樣的攻擊的難度。在一些實(shí)施方案中，運(yùn)用了理論上安全的信息秘密共享方案。在一些實(shí)施方案中，運(yùn)用了計(jì)算上安全的秘密共享方案。在實(shí)施方案中，運(yùn)用了同態(tài)秘密共享。在一些實(shí)施方案中，運(yùn)用了blakley方案(幾何方案)和/或shamir方案(例如多項(xiàng)式內(nèi)插法)和/或中國(guó)剩余定理(例如mignotte和asmuth-bloom)。在實(shí)施方案中，秘密共享方案是有前瞻性的。在實(shí)施方案中，秘密共享方案是可驗(yàn)證的。

需要強(qiáng)調(diào)的是，秘密共享是用于安全的多方計(jì)算的幾種協(xié)議中最原始的。

進(jìn)一步地，所述方法進(jìn)一步包括利用糾錯(cuò)碼c來(lái)將消息m編碼到更大的消息m2中的步驟。

例如，糾錯(cuò)碼可以利用冗余使得消息m恢復(fù)到要求的正確度，即使信道是含噪的。在一些實(shí)施方案中，糾錯(cuò)碼c的參數(shù)可以適用于量子信道參數(shù)(例如損耗和噪聲)。可選擇地運(yùn)用達(dá)到能力并且有效解碼的碼族，例如低密度奇偶校驗(yàn)碼或者turbo碼(例如具有低解碼復(fù)雜度)、卷積碼或者極化碼(以及其組合)。

進(jìn)一步地，消息m的長(zhǎng)度為1比特；秘密共享方案包含一份；糾錯(cuò)碼c是長(zhǎng)度為l或者n的重復(fù)碼，并且m進(jìn)制相位編碼是二進(jìn)制相位編碼。

在實(shí)施方案中，k等于1即消息m是1比特。微不足道的秘密方案的意思是，例如只有一份秘密。所述重復(fù)碼可以是長(zhǎng)度l等于n。二進(jìn)制相位編碼的意思是，對(duì)于m進(jìn)制編碼，m等于1。例如，二進(jìn)制相位可以是二進(jìn)制相移鍵控。

進(jìn)一步地，計(jì)算安全加密方案包括分組和/或流密碼。

進(jìn)一步地，用于從a到b傳遞log2|m|(比特)經(jīng)典消息m的協(xié)議的性能與4個(gè)參數(shù)(r、n、alpha、epsilon)有關(guān)，其中：n是在協(xié)議的一個(gè)運(yùn)行中所使用的量子信道的數(shù)量；r是傳輸速率，安全信息可以以該速率從a發(fā)送到b；r＝log2|m|/n；alpha^2是在協(xié)議的一個(gè)運(yùn)行中在量子信道上發(fā)送的光量子的平均數(shù)；epsilon是協(xié)議的正確性，其中在b處的消息m的解碼的步驟以大于1-epsilon的機(jī)率來(lái)執(zhí)行，而竊聽(tīng)者e關(guān)于消息m的可訪問(wèn)信息以epsilon為上限。

一方面，增加光量子alpha^2的平均數(shù)不但會(huì)典型地增加與b共享的信息的數(shù)量，而且會(huì)增加向e泄露的信息。另一方面，增加n僅僅減少向e泄露的信息。因此，為了確保所規(guī)定的安全水平(參數(shù)epsilon)，當(dāng)alpha^2增加時(shí)，n必須增加；n*alpha^2的結(jié)果以1為上限。為了確定的n*alpha^2的結(jié)果，增加n使得距離增加，可靠并且安全的通信(具有正確性epsilon)可以通過(guò)該距離來(lái)進(jìn)行。這些是根據(jù)公開(kāi)的方法和系統(tǒng)，可以用于控制通信協(xié)議的參數(shù)的示例。

對(duì)于確定的量子信道nab，其以傳輸t和規(guī)定的誤差模型(在此由參數(shù)xi來(lái)量化)為特征?？蓪?shí)現(xiàn)的速率r隨著減少的t和增加的誤差參數(shù)xi而減少?？蓪?shí)現(xiàn)的速率r隨著減少的epsilon而減少?？蓪?shí)現(xiàn)的epsilon隨著n而減少。

例如，通信速率可以用每信道所使用的比特來(lái)表示。通信速率(例如每秒所發(fā)送的消息的安全比特)可以低于在相同信道上與相同硬件進(jìn)行相位調(diào)制的經(jīng)典通信可實(shí)現(xiàn)的速率。特別地，這些可以由于冗余(參數(shù)n)。

在此公開(kāi)了一種計(jì)算機(jī)程序，當(dāng)所述計(jì)算機(jī)程序在合適的計(jì)算機(jī)設(shè)備上執(zhí)行時(shí)，其包括用于實(shí)施所述方法的一個(gè)或者更多個(gè)步驟的指令。

在此公開(kāi)了一種系統(tǒng)，其包括適合于實(shí)施所述方法的一個(gè)或者更多個(gè)步驟的裝置。

進(jìn)一步地，該系統(tǒng)在a處包括以連續(xù)波形動(dòng)態(tài)來(lái)工作的激光器；振幅調(diào)制器放置在激光器的后面對(duì)n個(gè)脈沖進(jìn)行調(diào)制，每個(gè)脈沖是振幅alpha的相干態(tài)；相位調(diào)制器放置在激光器的后面，將相移theta1、theta2、…thetan進(jìn)行調(diào)制，以及將二進(jìn)制的二進(jìn)制相移鍵控進(jìn)行調(diào)制；從a到b至少一個(gè)光量子信道；從a到b至少一個(gè)經(jīng)典信道；在b處的相位調(diào)制器；在b處的相干接收機(jī)(其可以為自適應(yīng)的或者非自適應(yīng)的)；以及在a和b處的計(jì)算裝置。

在實(shí)施方案中，在a處的激光器的時(shí)間相干性可以足夠高，以確保通過(guò)n個(gè)信道所使用的穩(wěn)定相位關(guān)系。在實(shí)施方案中，在b處的相干接收機(jī)是自適應(yīng)的。在實(shí)施方案中，相干接收機(jī)是非自適應(yīng)的。

進(jìn)一步地，多重相干態(tài)與二進(jìn)制調(diào)制的區(qū)分包括自適應(yīng)的個(gè)體測(cè)量。

進(jìn)一步地，多重相干態(tài)與二進(jìn)制調(diào)制的區(qū)分由dolinar接收機(jī)來(lái)執(zhí)行，其包括自適應(yīng)位移和光子計(jì)數(shù)。這樣的dolinar接收機(jī)對(duì)于相干態(tài)的二進(jìn)制調(diào)制之間的區(qū)分是最佳的。

進(jìn)一步地，自適應(yīng)的個(gè)體測(cè)量由dolinar接收機(jī)、或者bondurantii接收機(jī)、或者becerra接收機(jī)、或者連續(xù)波形調(diào)零接收機(jī)、或者其組合來(lái)執(zhí)行。

進(jìn)一步地，多重相干態(tài)與二進(jìn)制調(diào)制的區(qū)分包括非自適應(yīng)的個(gè)體測(cè)量。

進(jìn)一步地，非自適應(yīng)個(gè)體測(cè)量由零差接收機(jī)、或者外差接收機(jī)、或者kennedy接收機(jī)、或者bonduranti接收機(jī)、或者其組合來(lái)執(zhí)行。

在實(shí)施方案中，公開(kāi)了一種用于量子密碼學(xué)的安全模型，其開(kāi)發(fā)了假設(shè)：任何量子存儲(chǔ)器在限定的時(shí)間tenc中勢(shì)必會(huì)退相干，在此期間對(duì)稱加密可以被認(rèn)為是完美的，即不能區(qū)別于隨機(jī)函數(shù)，而其可以當(dāng)t>tenc時(shí)損壞。

圖1提供了根據(jù)本發(fā)明的安全模型的總體視圖。

該模型(或者框架)100稱為愛(ài)斯基摩人(比量子含噪存儲(chǔ)器更強(qiáng)的加密)，可以看作為延時(shí)釋放加密101和含噪量子存儲(chǔ)器模型102的結(jié)合。

盡管該模型背離理論信息安全(僅在短時(shí)間范圍內(nèi)假設(shè)保持計(jì)算安全)，其表現(xiàn)出至少兩個(gè)有趣的地方：

1)其基于合理假設(shè)，即高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)式加密功能不能夠在短于最好的量子存儲(chǔ)器的退相干時(shí)間的時(shí)間內(nèi)損壞。

2)其為“后量子”安全模型，因?yàn)橹患僭O(shè)了對(duì)稱加密的(短期)安全性，并且其允許建立具有永久安全性的密鑰分配協(xié)議。

愛(ài)斯基摩人框架對(duì)于量子密碼學(xué)開(kāi)放了有利的并且未開(kāi)發(fā)的可能性?？梢酝ㄟ^(guò)提出密鑰分配協(xié)議來(lái)說(shuō)明其實(shí)際上實(shí)施為現(xiàn)今的技術(shù)，并且可以通過(guò)利用結(jié)構(gòu)性代碼的超加性111和量子數(shù)據(jù)鎖定112通過(guò)量子密碼學(xué)的基本交換損耗率來(lái)極大地改進(jìn)。

近期在量子數(shù)據(jù)鎖定方面的工作，其安全性基于考慮到可訪問(wèn)信息，該可訪問(wèn)信息清楚地說(shuō)明了目前常用于量子密碼學(xué)的可組合安全性標(biāo)準(zhǔn)的放寬可以允許設(shè)計(jì)用于安全通信的具有改進(jìn)性能的新的量子密碼協(xié)議。

此外，可以使用有限時(shí)間量子存儲(chǔ)器，因此在愛(ài)斯基摩人框架中可以獲得量子數(shù)據(jù)鎖定的可組合安全性。

此外，存在完美的短期(短暫的)對(duì)稱加密功能的假設(shè)允許進(jìn)一步，并且解除了現(xiàn)有的量子數(shù)據(jù)鎖定方案的主要限制的其中一個(gè)：這樣的方案依賴于隨機(jī)碼結(jié)構(gòu)，為此不清楚如何設(shè)計(jì)實(shí)際的解碼器。

相反，公開(kāi)了使用有損的玻色子信道的超加性代碼的顯式結(jié)構(gòu)，并且公開(kāi)了通過(guò)二進(jìn)制相移鍵控(bpsk)字母表，利用脈沖位置調(diào)制(ppm)代碼來(lái)開(kāi)發(fā)這種代碼的單一等值?？梢岳盟龆虝杭用軄?lái)模糊(通過(guò)單次密本)二進(jìn)制相移鍵控密碼本并且確保一致性。所述模糊僅僅是短暫的，但是留給竊聽(tīng)者eve(在愛(ài)斯基摩人中其量子存儲(chǔ)器對(duì)于t>tenc退相干)沒(méi)有比在信道的輸入上執(zhí)行直接的單符號(hào)測(cè)量更好的策略。eve因此受限于用于單符號(hào)測(cè)量的可訪問(wèn)信息lacc(m，q)，而bob(其可以使得短暫加密反模糊)可以使用結(jié)構(gòu)化的超加性接收機(jī)。

此外，量子數(shù)據(jù)鎖定可以用于減少eve的可訪問(wèn)信息，即利用k個(gè)秘密比特來(lái)隱藏代碼的結(jié)構(gòu)，所提供的m(每個(gè)碼字所傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù))大于密鑰k的比特?cái)?shù)k，該密鑰k用于將應(yīng)用到每個(gè)碼字的單一體進(jìn)行編碼。

在此公開(kāi)了一種優(yōu)化的并且顯式的“實(shí)用”量子數(shù)據(jù)鎖定的結(jié)構(gòu)，其依賴于(2^m-1，2^m，2^m-1)(長(zhǎng)度，碼字?jǐn)?shù)，最小距離)hadamard碼。所提出的結(jié)構(gòu)利用用于鎖定的k比特，并且可以假設(shè)其可以通過(guò)2^k因子來(lái)減少lacc(m；q)。對(duì)于可實(shí)現(xiàn)的但是具有挑戰(zhàn)性的值m＝16，通過(guò)由boblacc(m，k，q)可解碼的信息的超加性增益的組合，以及通過(guò)在lacc(m；q)上的鎖定的減少來(lái)提高在有損的玻色子信道上最大可達(dá)到的距離，但是速率受限于以指數(shù)減少的具有m的hadamard碼的速率。對(duì)于可達(dá)160公里的距離，其導(dǎo)致每二進(jìn)制相移鍵控符號(hào)可達(dá)到10^-10比特密鑰，等同于相對(duì)含噪雪崩光電二極管(pd＝10^-5)。

用于密鑰分配的改進(jìn)的編碼和調(diào)制方式可以用在愛(ài)斯基摩人框架中。

在此公開(kāi)了本發(fā)明的實(shí)施方案。

公開(kāi)了一種方法，其包括以下步驟：

-對(duì)于有損的玻色子信道，運(yùn)用超加性代碼的顯式結(jié)構(gòu)；

-通過(guò)二進(jìn)制相移鍵控(bpsk)字母表，以及脈沖位置調(diào)制(ppm)編碼來(lái)開(kāi)發(fā)超加性代碼的單一等值。

進(jìn)一步地，所述方法還包括運(yùn)用短暫加密的步驟。在此提供了“短暫”的定義。

進(jìn)一步地，所述短暫加密通過(guò)單次密本來(lái)模糊，二進(jìn)制相移鍵控密碼本因此確保了一致性。

進(jìn)一步地，所述方法還包括運(yùn)用量子數(shù)據(jù)鎖定的步驟。

進(jìn)一步地，運(yùn)用量子數(shù)據(jù)鎖定的步驟包括利用k個(gè)秘密比特來(lái)隱藏代碼的結(jié)構(gòu)的步驟，所提供的比特?cái)?shù)m(每個(gè)碼字所傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù))大于密鑰k的比特?cái)?shù)k，該密鑰k用于將應(yīng)用到每個(gè)碼字的單一體進(jìn)行編碼。

進(jìn)一步地，運(yùn)用量子數(shù)據(jù)鎖定的步驟包括運(yùn)用hadamard碼的步驟。

圖2顯示了根據(jù)本發(fā)明的示例性系統(tǒng)的某些方面。

關(guān)于本發(fā)明的硬件(系統(tǒng))方面，本發(fā)明的一些具體的實(shí)施方案(例如下文所述的進(jìn)展c5和c6)可以有利地依賴于在b處的檢測(cè)器的超加性的性能(而e只能按符號(hào)測(cè)量)。然而，如在進(jìn)展c1中所公開(kāi)的，b可以運(yùn)用檢測(cè)器來(lái)按符號(hào)測(cè)量，但是b可以在運(yùn)用了干涉儀i(該干涉儀將多個(gè)符號(hào)合并到一個(gè)符號(hào)中)之后執(zhí)行所述測(cè)量。具體的硬件方面構(gòu)成了實(shí)施方案(例如c5或者c6)，其可以相對(duì)容易地實(shí)施。

換句話說(shuō)，在實(shí)施方案中，在b處的接收機(jī)可以將干涉儀、檢測(cè)器(單符號(hào))、和經(jīng)典(標(biāo)準(zhǔn))解碼器(和后處理)組合。換句話說(shuō)，在b處的接收機(jī)可以被認(rèn)定為超加性接收機(jī)，然而實(shí)際上可以用單符號(hào)檢測(cè)器來(lái)制造。

圖2顯示了系統(tǒng)200的總體視圖，其使得遙遠(yuǎn)的a方和b方相互連接。a涉及光電子元件201以及計(jì)算、存儲(chǔ)和通信資源280。b同樣涉及光電子元件202以及計(jì)算、存儲(chǔ)和通信資源290。

這樣的光電子元件可以包括，例如：在a101以連續(xù)波形動(dòng)態(tài)來(lái)運(yùn)行的激光器(源)210；位于激光器后面，用于將每個(gè)都為振幅alpha的相干態(tài)的n個(gè)脈沖進(jìn)行調(diào)制的振幅調(diào)制器220；位于激光器后面，用于將相移theta1，theta2，…thetan進(jìn)行調(diào)制和二進(jìn)制的二進(jìn)制相移鍵控調(diào)制的相位調(diào)制器230；從a101到b102至少一個(gè)光量子信道240；從a101到b102至少一個(gè)經(jīng)典信道250；在b102，相位調(diào)制器260；以及在b102，相干接收機(jī)270(自適應(yīng)或者非自適應(yīng)的)。

如先前所描述的，在有利的實(shí)施方案中，b可以包括結(jié)構(gòu)化的超加性接收機(jī)(例如由單符號(hào)接收機(jī)和干涉儀構(gòu)成)。

通常，在a處的計(jì)算、存儲(chǔ)和通信資源280，或者在b處的計(jì)算、存儲(chǔ)和通信資源290可以包括：處理裝置(281、291)(例如，一個(gè)或者更多個(gè)cpu)、存儲(chǔ)裝置(282、292)、輸入/輸出(i/o)裝置(283、293)、存儲(chǔ)裝置(284、294)、以及網(wǎng)絡(luò)接入裝置(285、295)。所述裝置可能彼此相互作用(緩存、交換、分布式計(jì)算、負(fù)載平衡等)。所述處理裝置(281、291)可以包括中央處理器(cpu，多核或者眾核)、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(fpga)、專用集成電路(asic)、或者其組合。所述存儲(chǔ)裝置(282、292)包括：例如，一個(gè)或者更多個(gè)閃存或者隨機(jī)存儲(chǔ)器。附著于a或者b的光電子硬件經(jīng)由輸入/輸出裝置(283、293)與經(jīng)典計(jì)算、存儲(chǔ)和通信裝置(280、290)相互作用。所述輸入/輸出裝置(283、293)可以包括：例如，數(shù)模轉(zhuǎn)換器(dac)或者模數(shù)轉(zhuǎn)換器(adc)。該數(shù)模轉(zhuǎn)換器(dac、d/a、d2a或者d-to-a)將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)(通常為二進(jìn)制)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)(電流、電壓、或者電荷)。該模數(shù)轉(zhuǎn)換器(adc)執(zhí)行逆向功能。所述存儲(chǔ)裝置(284、294)可以包括一個(gè)或者更多個(gè)的硬盤驅(qū)動(dòng)器或者固態(tài)硬盤。

可選擇地，所述計(jì)算、存儲(chǔ)和通信裝置280或者290可以包括能夠?qū)崿F(xiàn)(圖形的)用戶界面的(即能夠人機(jī)交互的)裝置。例如，該系統(tǒng)可以進(jìn)一步包括輸出外設(shè)(例如顯示器)和輸入外設(shè)(例如鼠標(biāo)或者鍵盤，其可以用于經(jīng)由所關(guān)聯(lián)的圖形用戶界面來(lái)控制通信速率)。

在一些實(shí)施方案中，也可以使用其他硬件設(shè)備(未顯示)，例如一個(gè)或者更多個(gè)光開(kāi)關(guān)、光多路復(fù)用器、光信號(hào)分離器、光放大器、分束器、光非線性進(jìn)制件、光隔離器、濾波器、光引信、和其他設(shè)備。所使用的硬件可以適應(yīng)于(或者適合于)處理高速度(例如從每秒百萬(wàn)字節(jié)到每秒兆兆字節(jié))和/或高調(diào)制深度(例如10比特或者以上)。

將a和b相互連接的網(wǎng)絡(luò)(即已認(rèn)證信道250和量子信道240)可以是有線的和/或無(wú)線的。在一些實(shí)施方案中，這樣的網(wǎng)絡(luò)是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)(例如無(wú)線保真和/或衛(wèi)星)。在一些實(shí)施方案中，所述網(wǎng)絡(luò)是有線網(wǎng)絡(luò)(例如光纖和/或非對(duì)稱數(shù)字用戶線路，例如通過(guò)互聯(lián)網(wǎng))。有利地，有線網(wǎng)絡(luò)(即在a和b之間的有線通信線路)表現(xiàn)出可靠的連接性。在一些其他的實(shí)施方案中，將a和b相互連接的網(wǎng)絡(luò)可以包括無(wú)線和有線網(wǎng)絡(luò)(例如，當(dāng)量子信道由光纖來(lái)執(zhí)行時(shí)，已認(rèn)證信道可以是無(wú)線的)。

在實(shí)施方案中，a(b分別)裝備有由現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列來(lái)控制的光電子器件。有利地，這樣的實(shí)施方案是緊湊的。在一些實(shí)施方案中，可以使用特定的專用集成電路(例如提供非常高速度的暢銷產(chǎn)品)?？梢允褂枚嗪颂幚砥骱捅姾颂幚砥?。

在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明實(shí)施為高度集成光電子芯片，例如嵌入在小型的終端上或者終端設(shè)備上(如智能手機(jī)或者智能手表)。

所公開(kāi)的實(shí)施方案可以表現(xiàn)為完整的硬件實(shí)施方案(例如包括現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)、完整的軟件實(shí)施方案(例如以控制根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng))、或者包括硬件和軟件元素的實(shí)施方案的形式。所述軟件實(shí)施方案包括但不限于固件、常駐軟件、微碼等。本發(fā)明的一些實(shí)施方案可以表現(xiàn)為可從計(jì)算機(jī)可用或者計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)訪問(wèn)的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品的形式，該介質(zhì)提供計(jì)算機(jī)或者指令執(zhí)行系統(tǒng)使用或者與其相關(guān)聯(lián)的程序代碼。所述計(jì)算機(jī)可用或者計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)可以是任何裝置，其可以包括：存儲(chǔ)、通訊、傳播、或者傳遞供指令執(zhí)行系統(tǒng)、裝置或者設(shè)備使用或者與其相關(guān)聯(lián)的程序。所述介質(zhì)可以是電子的、磁性的、光學(xué)的、電磁的、紅外線的、或者半導(dǎo)體的系統(tǒng)(或者裝置、設(shè)備)或者傳播介質(zhì)。

在此探討更進(jìn)一步的實(shí)施方案。

在此公開(kāi)了一種方法m，一種新的適用于改進(jìn)長(zhǎng)期安全密碼原語(yǔ)的實(shí)用性和/或性能和/或可實(shí)現(xiàn)性的安全模型，為其提供了一種新的通用結(jié)構(gòu)或者新的顯式協(xié)議。

所述方法m包括運(yùn)用計(jì)算安全加密函數(shù)enc將結(jié)果狀態(tài)(非糾纏)加密為量子碼字的步驟。

根據(jù)稱為愛(ài)斯基摩人(強(qiáng)于量子含噪存儲(chǔ)器的加密)的本安全模型的一個(gè)極限情況，enc對(duì)于至少為tau_enc的時(shí)間是短期安全的，而存儲(chǔ)在量子存儲(chǔ)器中的任何信息在tau_q<tau_enc時(shí)間內(nèi)完全退相干。這符合于本發(fā)明的更高抽象水平(c0)。

在第一進(jìn)展中(c0的c1)，公開(kāi)了用于發(fā)送者a和接受者b之間的消息m的實(shí)際的、長(zhǎng)距離的、長(zhǎng)期安全的通信，或者密鑰分配(新)的顯式協(xié)議。

在這樣的第一進(jìn)展中：

-a和b共享長(zhǎng)期安全對(duì)稱密鑰k＝k1||k2||kauth；

-a和b可以經(jīng)由公共經(jīng)典信道和公共量子信道來(lái)通信；

-a和b用kauth來(lái)認(rèn)證其經(jīng)典通信；

-a和b可以從k取得長(zhǎng)期安全對(duì)稱子密鑰k1，以用于量子數(shù)據(jù)鎖定；

-a向b發(fā)送已認(rèn)證報(bào)告；

-a和b運(yùn)用加密算法enc、k2和n來(lái)取得短期安全短暫屏蔽s，其包括大的偽隨機(jī)位串s；

-a將消息m編碼為多符號(hào)結(jié)果狀態(tài)經(jīng)典量子碼c(m，k1，s)；其中所述符號(hào)取自包括一組低能耗、非正交相干態(tài)的字母表，例如特別是二進(jìn)制相移鍵控編碼，每個(gè)脈沖的光量子數(shù)小于或者約等于1；并且其中屏蔽s用于通過(guò)執(zhí)行對(duì)相應(yīng)符號(hào)的經(jīng)典索引的按符號(hào)單次密本加密來(lái)完全地模糊代碼結(jié)構(gòu)。

所述多符號(hào)碼字可以利用單一的u被單一地轉(zhuǎn)變?yōu)閱巫帜复a字，并且接收機(jī)b可以建立可重構(gòu)的干涉儀系統(tǒng)i來(lái)執(zhí)行對(duì)應(yīng)于去除屏蔽s的單一的轉(zhuǎn)變，然后執(zhí)行單一轉(zhuǎn)變u的反轉(zhuǎn)。

為了解碼，bob運(yùn)用i將進(jìn)入的光學(xué)碼字去屏蔽并且單一地轉(zhuǎn)變，并且用實(shí)際可實(shí)現(xiàn)的檢測(cè)器(例如單光子檢測(cè)器、零差檢測(cè)器、外差檢測(cè)器、kennedy接收機(jī)、dolinar接收機(jī)、量子歸零接收機(jī))來(lái)執(zhí)行單符號(hào)測(cè)量。

在第二進(jìn)展中(c0的c2)，所述方法m可以用于在愛(ài)斯基摩人模型中為長(zhǎng)期安全密鑰分配/長(zhǎng)期安全通信建立中繼器，實(shí)現(xiàn)了如下的功能：

-中繼站不可信任，但是可以利用發(fā)送者所使用的短期秘密用方法m將量子碼字加密；

-中繼站可以用于補(bǔ)償傳播損耗；

-顯而易見(jiàn)地，所述中繼器不使用糾纏，也不使用量子存儲(chǔ)器。

在更進(jìn)一步的進(jìn)展中(c1的c4)，所述長(zhǎng)期安全子密鑰k1用于量子數(shù)據(jù)鎖定，即從具有適當(dāng)?shù)逆i定性能的適當(dāng)?shù)?^|k1|個(gè)單一體集合中安全地選擇一個(gè)單一的轉(zhuǎn)變ulock_k1。存在適當(dāng)?shù)募?，例如在大尺寸的碼字的極限下，尺寸為|k1＝o(log(n))|的鎖定密鑰足夠?qū)㈥P(guān)于尺寸為n的消息的可訪問(wèn)信息減少到接近0的任意值。

利用量子數(shù)據(jù)鎖定和方法m，任何人可以建立依賴于結(jié)構(gòu)性代碼的切實(shí)可行的方案，使得能夠在a和b之間可靠地發(fā)送消息m，而鎖定和聯(lián)合解碼增益可以用于確保安全性。

在這樣的方案中，密鑰分配和安全消息傳遞一起完成，并且選擇代碼參數(shù)以使得密鑰速率足以更新用于量子數(shù)據(jù)鎖定的長(zhǎng)期安全秘密比特。

在進(jìn)一步的進(jìn)展中(c1的c5)，公開(kāi)了一種通過(guò)二進(jìn)制相移鍵控編碼具有重復(fù)碼的秘密消息傳遞的顯式結(jié)構(gòu)。例如，公開(kāi)了一種用于秘密消息傳遞的顯式結(jié)構(gòu)，其中：

-量子信道是透射率為t＝t^2(功率)的玻色子有損信道；

-所使用的經(jīng)典量子碼是通過(guò)二進(jìn)制相移鍵控字母表{alpha>，|-alpha>}得到的(r，2，r)(長(zhǎng)度，尺寸，最小距離)重復(fù)碼；

-干涉儀i使得bob連續(xù)地增加r個(gè)接收信號(hào)，并且用接收功率t^2r^2|alpha|^2以速率1/r對(duì)單符號(hào)進(jìn)行測(cè)量。alicebob每符號(hào)的容量因此隨著r按比例增加。

在愛(ài)斯基摩人框架中，攻擊者受限于單符號(hào)可訪問(wèn)信息ie<1-h(phell(|alpha|^2)。

其中phell(|alpha^2|＝1/2(1-sqrt(1-exp(-4*|alpha|^2))是對(duì)于二進(jìn)制相移鍵控符號(hào)的最佳誤差鑒別概率。

eve在m上的可訪問(wèn)信息大約為sqrt(n)|alpha^2|。

內(nèi)部經(jīng)典量子代碼引出alice和bob之間的經(jīng)典竊聽(tīng)信道，為此可以運(yùn)用有效的、經(jīng)典的外部設(shè)備以執(zhí)行安全的消息傳遞。

對(duì)于任意距離和相應(yīng)的透射率t，增加r總是使得具有正的私有容量，盡管該容量規(guī)模為1/r(缺乏中繼器)。

在確定的距離，增加r提高信噪比，并且允許使用非常嘈雜的檢測(cè)器來(lái)執(zhí)行安全的消息傳遞。

在進(jìn)一步的進(jìn)展中(c1的c6)，公開(kāi)了一種用于秘密消息傳遞的顯式結(jié)構(gòu)，其中：

-量子信道是透射率為t＝t^2(功率)的玻色子有損信道；

-所使用的經(jīng)典量子碼是通過(guò)二進(jìn)制相移鍵控字母表得到的(2^m-1，2^m，2^(m-1))(長(zhǎng)度，碼字?jǐn)?shù)，最小距離)的hadamard碼，單一等價(jià)于(2^m，m，(2^m-1))。

干涉儀i是由m個(gè)對(duì)數(shù)分束器和m個(gè)對(duì)數(shù)相移器構(gòu)成的綠色機(jī)器，其允許bob將接收到的單個(gè)符號(hào)的集中2^m相干地增加到一個(gè)模式中，并且用接收功率t^2|2^m*alpha|^2，以速率m/2^m來(lái)執(zhí)行單個(gè)符號(hào)的測(cè)量。

每個(gè)碼字所發(fā)送的m比特中的kl部分用于鎖定。

公開(kāi)了一種在遙遠(yuǎn)的a方和b方之間傳遞消息的方法，其包括：利用計(jì)算安全加密函數(shù)enc將結(jié)果狀態(tài)或者非糾纏量子碼字加密的步驟；其中enc對(duì)于至少為tau_enc的時(shí)間是短期安全的，而存儲(chǔ)在量子存儲(chǔ)器中的任何信息在嚴(yán)格小于tau_enc的時(shí)間tau_q內(nèi)完全退相干。

進(jìn)一步地，該方法包括如下步驟：a和b共享長(zhǎng)期安全對(duì)稱密鑰k＝k1||k2||kauth；a和b經(jīng)由公共經(jīng)典信道和公共量子信道來(lái)通信；a和b用kauth來(lái)認(rèn)證其經(jīng)典通信；a和b從k導(dǎo)出長(zhǎng)期安全對(duì)稱子密鑰k1以用于量子數(shù)據(jù)鎖定；a向b發(fā)送認(rèn)證報(bào)告n；a和b運(yùn)用加密算法enc、k2和n來(lái)導(dǎo)出短期安全短暫屏蔽s，其包括大的偽隨機(jī)位串s；a將消息m編碼為多符號(hào)結(jié)果狀態(tài)經(jīng)典量子碼c(m，k1，s)，其中符號(hào)是從包括一組低能量并且非正交相干態(tài)的字母表中獲得的，例如二進(jìn)制相移鍵控編碼，每個(gè)脈沖的光子數(shù)小于或者大約為1；并且其中屏蔽s用于通過(guò)按符號(hào)執(zhí)行相應(yīng)符號(hào)的經(jīng)典索引的單次密本加密來(lái)完全地模糊碼的結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步地，所述方法還包括：利用單一的u將多符號(hào)碼字轉(zhuǎn)變?yōu)閱巫帜复a字的步驟；接收機(jī)b運(yùn)用可重構(gòu)的干涉儀系統(tǒng)i來(lái)執(zhí)行單一轉(zhuǎn)變的步驟；所述單一轉(zhuǎn)變包括去除屏蔽s和執(zhí)行單一轉(zhuǎn)變u的反轉(zhuǎn)的步驟。

進(jìn)一步地，該方法還包括：b利用i來(lái)去除屏蔽并且將進(jìn)入的光學(xué)碼字單一轉(zhuǎn)變的步驟，以及執(zhí)行單符號(hào)測(cè)量的步驟。

進(jìn)一步地，該方法還包括步驟：模糊光電路結(jié)構(gòu)；對(duì)僅有a知道的長(zhǎng)期安全密鑰kpriv實(shí)施秘密的單一u(kpriv)；因此施加輸入信號(hào)的能量的物理限制l；該方法包括如下步驟：a使用具有強(qiáng)制限制l的硬件測(cè)量的光學(xué)電路c來(lái)實(shí)施ukp；a公開(kāi)廣播公鑰kpub的認(rèn)證值；其中電路c可以通過(guò)本地接收密鑰k的輸入而適應(yīng)于僅a可以反轉(zhuǎn)的實(shí)施單一轉(zhuǎn)變u(kpriv異或k)的電路。

進(jìn)一步地，長(zhǎng)期安全子密鑰k1用于量子數(shù)據(jù)鎖定，以從適當(dāng)?shù)木哂羞x定的鎖定性能的2^|k1|個(gè)單一體的組中安全地選擇一個(gè)單一轉(zhuǎn)變ulock_k1，所述選定的鎖定性能是，例如，關(guān)于尺寸為n的消息的可訪問(wèn)信息減少到接近0的任意值。

進(jìn)一步地，對(duì)于通過(guò)二進(jìn)制相移鍵控編碼的具有重復(fù)代碼的秘密消息傳遞，量子信道是透射率為t＝t^2(功率)的玻色子有損信道；所使用的經(jīng)典量子碼是二進(jìn)制相移鍵控字母表{alpha>，|-alpha>}中的(r，2，r)(長(zhǎng)度，尺寸，最小距離)重復(fù)碼。干涉儀i允許b相干地增加r個(gè)接收信號(hào)，并且以1/r的速率以接收功率t^2r^2|alpha|^2執(zhí)行單符號(hào)測(cè)量，其中攻擊者受限為單符號(hào)可訪問(wèn)信息ie<1-h(phell(|alpha|^2)；其中phell(|alpha^2|＝1/2(1-sqrt(1-exp(-4*|alpha|^2))是二進(jìn)制相移鍵控符號(hào)的最佳誤差辨別概率；并且其中e的可訪問(wèn)信息與r無(wú)關(guān)，并且通過(guò)選擇|alpha^2|～1/r來(lái)限制。

進(jìn)一步地，量子信道是透射率為t＝t^2(功率)的玻色子有損信道；所使用的經(jīng)典量子碼是二進(jìn)制相移鍵控字母表{alpha>，|-alpha>}中的(2^m-1，2^m，2^(m-1))(長(zhǎng)度，碼字?jǐn)?shù)，最小距離)hadamard碼，單一等價(jià)于(2^m，m，(2^m-1))；其中每碼字所發(fā)送的m比特中的kl部分用于量子鎖定。

所公開(kāi)的系統(tǒng)包括執(zhí)行所述方法的步驟的裝置，其中該系統(tǒng)包括一個(gè)或者更多個(gè)中繼站，所述站的至少一個(gè)是非可信任的，但是其利用發(fā)送者所使用的短期秘密根據(jù)所述方法將量子碼字進(jìn)行加密；其中所述一個(gè)或者更多個(gè)中繼站根據(jù)所述方法補(bǔ)償傳播損耗。

進(jìn)一步地，所述系統(tǒng)包括一個(gè)或者更多個(gè)單光子檢測(cè)器、零差檢測(cè)器、外差檢測(cè)器、kennedy接收機(jī)、dolinar接收機(jī)或者量子歸零接收機(jī)。

進(jìn)一步地，所述系統(tǒng)包括干涉儀i，例如由m個(gè)對(duì)數(shù)分束器和m個(gè)對(duì)數(shù)相移器構(gòu)成的綠色機(jī)器，其允許bob將接收到的單個(gè)符號(hào)的集中的2^m個(gè)相干地增加到一個(gè)模式中，并且用接收功率t^2|2^m*alpha|^2，以速率m/2^m來(lái)執(zhí)行單個(gè)符號(hào)的測(cè)量。

圖3圖示了本發(fā)明的實(shí)施方案。

本發(fā)明公開(kāi)了一種通過(guò)公共信道在第一方和遙遠(yuǎn)的第二方之間傳遞經(jīng)典消息的方法(300)，其包括以下步驟：在所述各方之間共享密鑰(310)，所述共享密鑰包括短期安全密鑰和/或長(zhǎng)期安全密鑰；在第一方將經(jīng)典消息編碼為量子碼字，第一方利用共享密鑰將經(jīng)典消息編碼為屬于公知量子碼的第一加密碼字(320)；將第一加密碼字通過(guò)輸出為第二碼字的公共信道從第一方傳遞到第二方(330)；通過(guò)利用由第二方控制的、放置在公共信道的輸出并且由共享密鑰來(lái)鍵控的n模式干涉儀單一地將第二碼字轉(zhuǎn)變?yōu)榈谌a字(340)；在第二方通過(guò)執(zhí)行對(duì)第三碼字的測(cè)量并且通過(guò)利用共享密鑰處理所述測(cè)量來(lái)確定出經(jīng)典消息的估計(jì)(350)。

圖4圖示了本發(fā)明的示例性實(shí)施方案的某些方面。該示意圖顯示了激光器401；a方安全邊界410；b方安全邊界420；公共信道f430；經(jīng)典消息m402；消息m的估計(jì)403；信號(hào)分離器411、431；多路復(fù)用器413；相位調(diào)制器412；干涉儀i440；粗虛線的量子信道499；細(xì)虛線的經(jīng)典消息信道498；單模式光學(xué)檢測(cè)器441。第一方a通過(guò)n相調(diào)制器將具有kl和/或ks的m編碼到多模式經(jīng)典消息光量子碼字中，在b的輸入的n模式干涉儀i由分束器和移相器組成，相移值由ks和kl鍵控。干涉儀i將所接收的碼字進(jìn)行轉(zhuǎn)變，使得具有單模式光學(xué)檢測(cè)器的單模式測(cè)量足以進(jìn)行測(cè)量。遙遠(yuǎn)的b方從測(cè)量結(jié)果、ks和kl來(lái)確定m的估計(jì)。

公開(kāi)了一種通過(guò)連接a和b的有損和/或含噪的公共信道f在遙遠(yuǎn)的a方和b方之間傳遞經(jīng)典消息m的方法，其包括以下步驟：在a和b之間共享密鑰k，所述密鑰k包括短期安全密鑰ks和/或長(zhǎng)期安全密鑰kl；在a處將經(jīng)典消息m編碼為量子碼字，a使用共享密鑰k＝(kl，ks)將經(jīng)典消息m編碼為屬于公知量子碼c的加密碼字rho1(m，k)；通過(guò)輸出為碼字rho2(m，k)的信道f將加密碼字rho1(m，k)從a傳遞到b；通過(guò)使用由b控制的、放置在信道f的輸出的、并由k來(lái)鍵控的n模式干涉儀i將rho2(m，k)單一轉(zhuǎn)變?yōu)閞ho3(m，k)；通過(guò)對(duì)rho3(m，k)進(jìn)行測(cè)量，并通過(guò)使用共享密鑰k處理所述測(cè)量來(lái)確定出在b本地的成熟(mest)的m的估計(jì)。

進(jìn)一步地，將m編碼到加密碼字rho1(m，ks，kl)中的步驟，包括以下步驟：將m編碼為屬于公知量子碼c的碼字c(m，kl)；利用短期安全密鑰ks在c(m，kl)上執(zhí)行逐字加密u(ks)，生成加密的碼字rho1(m，k)；并且，由ks鍵控的干涉儀i通過(guò)逐字解密來(lái)實(shí)現(xiàn)u(ks)的反轉(zhuǎn)；然后是獨(dú)立于短期安全密鑰ks的另一個(gè)單一轉(zhuǎn)變。

進(jìn)一步地，使用長(zhǎng)期安全密鑰kl來(lái)選擇密碼c'，所述秘密碼c'與公知碼c的子集相關(guān)聯(lián)；并且使用短期安全密鑰ks來(lái)對(duì)c(m，kl)執(zhí)行逐字加密。

長(zhǎng)期安全密鑰的功能是量子數(shù)據(jù)鎖定。對(duì)于適當(dāng)?shù)拇ac和c'、以及大尺寸的消息m，如果解碼器忽略長(zhǎng)期安全密鑰kl(可以是尺寸為o(log|m)|)，由于量子數(shù)據(jù)鎖定，則可以大大減少來(lái)自給出ks和長(zhǎng)期安全密鑰kl的rho1的m上的可訪問(wèn)信息，因此導(dǎo)致a和b之間的私有容量。

ks的功能是量子碼字c(m，kl)的逐字加密。為了獲悉m，這種加密模糊了任何攻擊者e的碼字c(m，kl)的結(jié)構(gòu)，并限制了其對(duì)rho1(m，k)進(jìn)行聯(lián)合測(cè)量的能力。相反，b可以使用干涉儀i執(zhí)行聯(lián)合檢測(cè)，并可以從超加性增益中受益。

有利的是，將量子數(shù)據(jù)鎖定與kl結(jié)合、以及將逐字加密與ks結(jié)合，簡(jiǎn)化了愛(ài)斯基摩人框架中量子數(shù)據(jù)鎖定的實(shí)施，因?yàn)榭梢赃x擇結(jié)構(gòu)化、有效的可解碼代碼c'＝c(kl)，仍然具有永久的安全性。

有利的是，將量子數(shù)據(jù)鎖定與kl結(jié)合、以及將逐字加密與ks組合，使得在愛(ài)斯基摩人框架中以高于量子信道的私有容量的速率執(zhí)行具有永久安全性的安全通信。

進(jìn)一步地，將經(jīng)典消息m編碼到rho1(m，k)中的步驟在光量子態(tài)中進(jìn)行，其中所述光量子態(tài)與多個(gè)特征相關(guān)聯(lián)，所述特征包括：c中的碼字是在n個(gè)玻色子模式中的n個(gè)相干態(tài)的結(jié)果狀態(tài)，從包括時(shí)間模式、頻率模式和空間模式的列表中選擇玻色子模式；代碼c的字母表由m＝2^p的m進(jìn)制相移鍵控相干態(tài)組成，每個(gè)字母的形式為{|exp(i2pik/m)alpha>，k＝0..m-1}，固定的光子數(shù)|alpha^2|比1小得多；用ks對(duì)c(m，kl)的逐字加密包括相位加密步驟，其中短期安全密鑰ks用于導(dǎo)出逐字地應(yīng)用在碼字的n個(gè)相干態(tài)上的n個(gè)獨(dú)立相移的值，其中所述相移用p＝log2(m)比特編碼，因此ks的尺寸為p*n。

進(jìn)一步地，由b控制的干涉儀i與至少一個(gè)特征相關(guān)聯(lián)，其包括：i是由分束器和移相器組成的n模式玻色子干涉儀；至少一個(gè)相移由相位調(diào)制器控制，所述相位調(diào)制器配置為應(yīng)用m＝2^p的所述m進(jìn)制相移，以及應(yīng)用取決于短期安全密鑰ks的值；給予短期安全密鑰ks，干涉儀i配置為實(shí)施相位解密并將rho2(m，k)轉(zhuǎn)變?yōu)閞ho3(m，kl)，選擇干涉儀i的結(jié)構(gòu)，使得rho3(m，kl)對(duì)應(yīng)于在公共信道f上沒(méi)有噪聲的單模式狀態(tài)，從而允許使用單模式光學(xué)檢測(cè)器在rho3(m，kl)上執(zhí)行測(cè)量。

進(jìn)一步地，所述方法包括使用中繼站，所述中繼站包括放置在量子信道上的放大器，該放大器補(bǔ)償傳播損耗，其中在實(shí)施方案中，所述中繼站或者不了解k＝(ks，kl)，或者在另一個(gè)實(shí)施方案中給予對(duì)短期安全密鑰ks的部分訪問(wèn)。

這樣的放大器構(gòu)成非可信任的中繼器。給與rho1(k，m)和對(duì)ks的部分訪問(wèn)，m上的中繼器的可訪問(wèn)信息被限制在m的可訪問(wèn)信息之下，導(dǎo)致a和b之間的秘密容量，至于包括中繼站的任何攻擊者，因此不需要被信任。在一些實(shí)施方案中，所述字母表是對(duì)應(yīng)于p＝2的四進(jìn)制相移鍵控(qpsk)，并且字母可以由兩個(gè)比特來(lái)描述，b1編碼pi相移，b2編碼pi/2相移。相反，對(duì)于碼字c(m，kl)中的n個(gè)相干態(tài)中的每一個(gè)，ks包含兩個(gè)比特c1和c2來(lái)加密相位。在這種情況下，并且當(dāng)在中繼器中使用相位敏感放大器時(shí)，必須將c2的n個(gè)值發(fā)送到中繼站，使得在執(zhí)行n模式下的相位敏感放大之前，可以在c2＝1的每個(gè)模式下實(shí)施pi/2相移。

在實(shí)施方案中(特定協(xié)議)：m是1比特消息b；量子信道是透射率t＝t^2(功率)的玻色子損耗信道；所使用的代碼c是m＝2或者4的m進(jìn)制相移鍵控字母表的[n，2，n](長(zhǎng)度，碼字?jǐn)?shù)，最小距離)重復(fù)碼；用ks逐字相位加密在于使用ks的log2(m)*n比特對(duì)每個(gè)相干態(tài)的相位進(jìn)行單次密本加密，所述相位由用于每個(gè)相干態(tài)的log2(m)比特來(lái)描述；干涉儀i是深度為log2(n)的二叉樹(shù)，將n個(gè)相干態(tài)的振幅相干地增加到一個(gè)單一模式中；所述光學(xué)檢測(cè)器包括與a鎖相的相位敏感檢測(cè)器，所述相位敏感檢測(cè)器選自包括零差檢測(cè)器、外差檢測(cè)器、kennedy接收機(jī)、bondurant接收機(jī)或者dolinar接收機(jī)的組；在中繼站中所使用的放大器包括與a和b鎖相的敏感放大器psa；對(duì)alpha、n的值，放大器的位置和增益進(jìn)行優(yōu)化用于給定的t值。當(dāng)m＝4時(shí)，ks的一半比特(pi/2相位的編碼)被發(fā)送到中繼器，使得在放大之前可以應(yīng)用適當(dāng)?shù)膒i/2相位旋轉(zhuǎn)。

當(dāng)適當(dāng)?shù)卦O(shè)置o(n)相移時(shí)，干涉儀可以將n個(gè)相干態(tài)的振幅相干地增加到一個(gè)模式中，導(dǎo)致輸出狀態(tài)[(-1)^btsqrt(n)alpha>)。

如果使用一個(gè)中繼站，相位敏感放大器有利地放置在a-b信道的中間(等效損耗sqrt(t))，并且其強(qiáng)度增益設(shè)置為1/sqrt(t)。

在實(shí)施方案中(特定協(xié)議)：m是1比特消息b；量子信道是透射率t＝t^2(功率)的玻色子損耗信道；所使用的代碼c由兩個(gè)碼字組成，來(lái)自于單一等價(jià)于兩個(gè)輸出上的脈沖位置編碼的長(zhǎng)度為n的hadamard碼，c的字母表是m＝2或者4的m進(jìn)制相移鍵控字母表；使用ks的逐字相位加密在于使用ks的log2(m)*n比特對(duì)每個(gè)相干態(tài)的相位進(jìn)行單次密本加密，所述相位由用于每個(gè)相干態(tài)的log2(m)比特來(lái)描述；干涉儀i是深度為log2(n)的二叉樹(shù)，將n個(gè)相干態(tài)的振幅相干地增加到功率為t^2nalpha的模式中；光學(xué)檢測(cè)器在于相位不敏感/敏感檢測(cè)器，所述相位敏感檢測(cè)器選自包括單光子檢測(cè)器、光電二極管或者外差檢測(cè)器的組；在中繼站中所使用的放大器是補(bǔ)償傳播損耗的相位不敏感放大器pia；對(duì)alpha、n的值，位置和增益進(jìn)行優(yōu)化用于給定的t值。

當(dāng)適當(dāng)?shù)卦O(shè)置o(n)相移時(shí)，干涉儀可以將n個(gè)相干態(tài)的振幅相干地增加，導(dǎo)致將輸出功率t^2nalpha集中到模式b中。

進(jìn)一步地，在a和b之間共享短期安全密鑰ks的步驟，利用計(jì)算安全技術(shù)通過(guò)使用包括密鑰密碼機(jī)制和/或公開(kāi)密鑰機(jī)制的一個(gè)或者更多個(gè)機(jī)制來(lái)執(zhí)行。

在實(shí)施方案中，所述機(jī)制是密鑰機(jī)制。初始共享密鑰，k＝k1||kauth在a和b之間共享，并在此時(shí)保密。a和b認(rèn)證其通信，并且ks通過(guò)使用對(duì)稱技術(shù)(例如在計(jì)數(shù)器模式下使用aes_k1)執(zhí)行密鑰擴(kuò)展來(lái)從k1導(dǎo)出。

在實(shí)施方案中，所述機(jī)制是公開(kāi)密鑰機(jī)制。假設(shè)公鑰密碼學(xué)、公鑰加密的短期安全性可以用于ks的密鑰分配。根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其可以用于公開(kāi)網(wǎng)絡(luò)，仍然具有永久安全性。

進(jìn)一步地，在a和b之間共享長(zhǎng)期安全密鑰kl的步驟通過(guò)使用長(zhǎng)期安全機(jī)制來(lái)執(zhí)行，所述機(jī)制包括使用先前在a和b之間交換的長(zhǎng)期秘密隨機(jī)消息或者密鑰，利用根據(jù)權(quán)利要求1所述的步驟，用于具有永久安全性和/或量子密鑰分配和/或信任的信使的密鑰分配。

本發(fā)明公開(kāi)了一種包括代碼指令的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，當(dāng)其在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行時(shí)，其執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求1至10中的任一項(xiàng)所述的步驟。

本發(fā)明公開(kāi)了一種系統(tǒng)，其包括用于執(zhí)行所述方法的一個(gè)或者更多個(gè)步驟的裝置。

進(jìn)一步地，所述系統(tǒng)包括：存儲(chǔ)安全數(shù)據(jù)(ks，kl)的a(a)的安全邊界；存儲(chǔ)安全數(shù)據(jù)(ks，kl)的b(b)的安全邊界；至少以n個(gè)模式發(fā)射的相干光源(s)；可選的信號(hào)分離器(d)，其可以分離n個(gè)模式的每一個(gè)或者部分；由a控制的單模式相位調(diào)制器設(shè)備(pm)作用在n個(gè)模式中的每一個(gè)上；可以組合n個(gè)模式的每一個(gè)或者部分的可選的n模式多路復(fù)用器(m)；從a到b至少一個(gè)光量子信道f；可選的信號(hào)分離器(d)，其可以分離n個(gè)模式的每一個(gè)或者部分；由分束器和移相器組成的n模式干涉儀i，一些由b主動(dòng)控制；和單模式光學(xué)檢測(cè)器(smd)。

進(jìn)一步地，所述系統(tǒng)包括：以n個(gè)模式發(fā)射相干光的激光器；放置在n個(gè)模式中的每一個(gè)上的相位調(diào)制器，其在相干態(tài)的m進(jìn)制相移鍵控星座圖內(nèi)調(diào)制每個(gè)模式的狀態(tài)；所應(yīng)用的相位調(diào)制取決于ks和kl，其導(dǎo)致n模式加密碼字rho1(m，k)；從a到b的至少一個(gè)光量子信道；由分束器和主動(dòng)控制的移相器組成的n模式干涉儀；在b處的光學(xué)檢測(cè)器；以及在a和b處的計(jì)算裝置。

進(jìn)一步地，根據(jù)本發(fā)明并且實(shí)施所述方法的一個(gè)或者更多個(gè)步驟的系統(tǒng)，其包括以下一個(gè)或者更多個(gè)：在n個(gè)模式下發(fā)射相干光的激光器；放置在n個(gè)模式中的每一個(gè)上的相位調(diào)制器，其將由ks、{theta1，theta2，...thetan}以及c(m，kl)的二進(jìn)制相移鍵控編碼一起加密的相移進(jìn)行調(diào)制，導(dǎo)致n模式碼字rho1(m，k)；從a到b至少一個(gè)光量子信道；由分束器和主動(dòng)控制的移相器組成的n模式干涉儀；在b處的光學(xué)檢測(cè)器；在a處和b處的計(jì)算裝置。

在一些實(shí)施方案中，光學(xué)的碼分多址技術(shù)可以用于實(shí)施本發(fā)明的實(shí)施方案。在一些實(shí)施方案中，正交頻分復(fù)用技術(shù)可以用于，特別地依賴于頻譜編碼和鎖模激光器。在一些實(shí)施方案中，光學(xué)編碼可以與空間光調(diào)制器結(jié)合，在多個(gè)空間模式下執(zhí)行。

進(jìn)一步地，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)包括以下一個(gè)或者更多個(gè)：鎖模激光器、脈沖激光器和/或連續(xù)波激光器；相位調(diào)制器和/或振幅調(diào)制器；光開(kāi)關(guān)；相位敏感放大器和/或相位不敏感放大器；波分多路復(fù)用濾波器和/或組合器，和/或分插多路復(fù)用器；時(shí)間延遲干涉儀和/或光學(xué)快速傅里葉變換干涉儀；選自包括單光子檢測(cè)器、零差檢測(cè)器、外差檢測(cè)器、kennedy接收機(jī)、dolinar接收機(jī)、bondurant接收機(jī)或者量子歸零接收機(jī)的組中的一個(gè)或者更多個(gè)檢測(cè)器。