一種遠程量子保密通信的中繼方法
2023-07-31 18:42:46
專利名稱：一種遠程量子保密通信的中繼方法
技術領域：
本發明涉及光纖通信技術領域，尤其是一種用於遠程量子保密通信的中繼方法。
背景技術：
上世紀下半葉以來，科學家們在「海森堡測不準原理」和「量子不可克隆原理」之上，逐漸建立了量子密碼術的概念。量子密碼術以單量子態作為信息載體，由於單量子態無法被克隆，而且任何測量操作都會改變其量子態，因此竊聽者無法在不被發現的前提下獲得任何有效信息。換言之，信息的合法接收者可以從量子態的改變得知信道中存在竊聽，從而終止通信過程。因此這種方式被稱為在物理上「絕對安全」的通信方式，在國防，軍事，政治， 金融等各個領域都具有重要的研究價值。從上個世紀八十年代至今，量子保密通信已經歷了近30年的基礎理論研究和安全性驗證，目前其實用化的時機已經成熟。隨著各國逐漸意識到量子通信的重要意義，其產品化的腳步也在加快。歐美等發達國家已經開始了高速量子通信和大規模保密通信網絡的探索，我國也將其列為重點科研項目進行研究。在量子保密通信過程中，信息載體為單光子，考慮到單光子在光纖信道中的衰減及探測器探測效率等原因，商用系統的通信距離一般不會超過100km，這種局限性使得點對點量子通信系統只能適用於城際的保密通信，而對於省際和省際以上的保密通信卻無能為力，這大大限制了量子保密通信的使用範圍，對其實用化的發展進程也帶來了阻礙。
發明內容
本發明的目的是針對現有技術的不足而設計的一種遠程量子保密通信的中繼方法，它通過對多個點對點量子密鑰分發設備進行連接和整合，利用高速光模塊數據交互的辦法實現保密中繼，從而突破了單系統的安全通信距離限制，而且整個過程中的數據交換和流程控制均由FPGA自動完成，確保量子通信系統的安全性。本發明的目的是這樣實現的一種遠程量子保密通信的中繼方法，包括由量子信道和高速光模塊信道連接A用戶終端與B用戶終端的量子保密通信，其特點是由量子信道和高速光模塊信道連結A用戶終端和B用戶終端的鏈路上設有至少一個以上的中繼站，中繼站由上一級系統的接收端和下一級系統的發送端組成，採用相位編碼的BB84協議分別生成與前、後級系統各自獨立的量子密鑰，以多個點對點的量子密鑰分發進行連接和整合， 並將多個「點對點」量子密鑰分發系統首尾相連；由A用戶終端將明文加密後發送至第一個中繼端，第一個中繼端根據相應的量子密鑰將密文解密後獲得明文，然後再將明文加密後發送至第二個中繼端，第二個中繼端根據相應的量子密鑰將密文解密後獲得明文，然後再將明文加密後發送至第三個中繼端，以此類推，直至明文傳輸至B用戶終端，實現超長距離的量子保密通信。所述中繼站由由可編程門陣列控制，自動完成接收端和發送端的光脈衝觸發、單光子信號採集、密鑰糾錯、儲存和明文加解密。所述量子信道為傳輸單光子信號的通道，高速光模塊信道為傳輸密鑰篩選、密鑰糾錯和加密後密文信息，並通過波分復用的方式傳輸時鐘信號的通道。本發明與現有技術相比具有點對點的遠程量子保密通信，保密程度高，系統安全性好，傳輸效率高的優點，大大提高了量子通信的有效傳輸距離，解決了單系統安全通信距離受限制的難題。
圖1為本發明工作流程圖； 圖2為中繼站工作流程圖。
具體實施例方式參閱附圖1，本發明由A用戶終端1和B用戶終端2與至少一個以上的中繼站3通過量子信道4和高速光模塊信道5構成量子保密通信系統，中繼站3由上一級系統的接收端和下一級系統的發送端組成，採用相位編碼的BB84協議分別生成與前後級各自相對獨立的量子密鑰，以多個點對點的量子密鑰分發進行連接和整合，並將多個「點對點」量子密鑰分發系統首尾相連，中繼站3每連結一次將對傳輸的信息加密一次，並生成一個相應的量子密鑰，當量子密鑰累計到一定長度以後，由A用戶終端1將明文加密後發送至第一個中繼端3，第一個中繼端3根據相應的量子密鑰將密文解密後獲得明文，然後再將明文加密後發送至第二個中繼端3，第二個中繼端3根據相應的量子密鑰將密文解密後獲得明文，然後再將明文加密後發送至第三個中繼端3，以此類推，直至明文傳輸至B用戶終端2，A用戶終端1與B用戶終端2通過中繼站3以多個點對點的量子密鑰分發進行連接和整合，實現超長距離的量子保密通信。在A用戶終端1和B用戶終端2之間通過多個中繼端3的連接，形成了一個通訊鏈路中的「點對點」量子保密通信系統，由多個「點對點」量子保密通信系統組成了一個通訊鏈路，此通信系統的每個「點對點」系統的結構可簡化為發送端和接收端，即A用戶終端1 對中繼端3、上一個中繼端3對下一個中繼端3和中繼端3對B用戶終端2的「點對點」系統，當多個「點對點」系統首尾相連後即組成一個通訊鏈，其中每一個「點」就是這通訊鏈路中的A用戶終端1、B用戶終端2或多個中繼端3中的一個，通訊鏈路中間的每一個節點為中繼端3，因此，中繼端3的硬體包括了上一級系統的接收端和下一級系統的發送端以及相應的數據轉換設備。在這「點對點」量子保密通信系統的長距離通訊鏈路中，每一個「點對點」系統的密鑰生成過程是相對獨立的，並且均採用相位編碼的BB84方案成碼，其接收端和發送端各有一個可編程門陣列(FPGA)控制面板，負責對硬體的控制和數據操作。在發送端FPGA的主要功能為提供同步時鐘信號；實現對單光子脈衝信號的調製；實現對單光子探測器的數據採集。在接收端FPGA的主要功能為接收同步時鐘信號，實現對單光子脈衝信號的調製。 收、發送兩端均由量子信道4和高速光模塊信道5連接，量子信道4用於傳輸單光子信號， 高速光模塊信道5為高速光模塊連接的經典信道，用於傳輸密鑰篩選、密鑰糾錯以及加密後密文等信息，並通過波分復用的方式傳輸時鐘信號。當通訊開始後，通訊鏈路上的每一個 「點對點，，系統開始按照BB84協議生成密鑰，當密鑰累計到一定長度以後，由第一個「點，，A 用戶終端1開始，將明文加密並發送至第一個中繼端3，中繼端3首先利用第一級的密鑰將密文解密，從而獲得明文，然後再將明文用第二級的密鑰加密並傳送至第二個中繼端3，以此類推，直至明文傳輸至最後一級，這樣便實現了長距離的量子保密通信。參閱附圖2，本發明是這樣工作的我們將A用戶終端1稱為「Alice」，B用戶終端 2稱為「Bob」，當「Alice」首先通過高速光模塊信道5向通訊鏈路中的各個「節點」即各個中繼端3和「Bob」發起通訊請求，當每個「節點」宣布備好以後，鏈路中的每一個「點對點」系統開始密鑰分發(這個過程可以同時進行，但並不需要完全同步)，生成的初始密鑰還需要經過奇偶校驗等糾錯過程，然後存放在儲存器中，這樣每個節點都具有了各自的密碼本，我們設「Alice」與第一個中繼端3之間的密碼本為K1，第一個中繼端3與第二個中繼端3之間的密碼本為K2，從而產生的密文為A3. . . A (n+1)第η個中繼端3和「Bob」之間的密碼本為Kn+1。當密鑰產生了一定數量以後「Alice」開始明文傳輸，按照先入先出的方式從儲存器中抽取密鑰K1，並按照一次一密的原則對明文信息進行加密(加密過程可採用異或的邏輯操作)，並將加密好的密文通過高速光模塊信道5傳輸至第一個中繼端3的接收端Bi，Bl 收到密文後，同樣按照先入先出的方式抽取密鑰K1，並對密文進行解密操作從而得到明文， 然後Bl將明文傳遞給發送端A2(這個過程可以在FPGA晶片內部完成)，A2按照「Alice」 相同的操作辦法用K2對明文加密，並將密文傳送給下一個中繼端3的接收端B2，B2收到密文後，同樣按照先入先出的方式抽取密鑰K3，並對密文進行解密操作從而得到明文，然後 B2將明文傳遞給發送端A3，以此類推，直到「Bob 『獲得明文，整個通信過程結束。在上述的通信過程中，通信鏈上的每一個「點對點」系統生成的量子密鑰均進行了密鑰糾錯和保密增強操作，保證了每一級的密鑰誤碼率在一個很低的水平，從而大大減小在多級中繼過程中誤碼率的遞增問題，提高了量子通信的有效傳輸距離。此外，中繼端3的所有流程控制，包括光脈衝觸發，單光子信號採集，密鑰糾錯和儲存，明文加解密等均由可編程門陣列(FPGA)自動完成，由於可編程門陣列(FPGA)並不開放密碼本存儲晶片的物理接口，因此中繼的過程可以理解為在黑盒中進行，任何妄圖通過攻擊設備而遠程竊取密碼本的行為都將無計可施，這種方式實現了對安全性的有力保障。以上只是對本發明作進一步的說明，並非用以限制本專利，凡為本發明等效實施， 均應包含於本專利的權利要求範圍之內。
權利要求
1.一種遠程量子保密通信的中繼方法，包括由量子信道和高速光模塊信道連接A用戶終端與B用戶終端的量子保密通信，其特徵在於由量子信道和高速光模塊信道連接A用戶終端和B用戶終端的鏈路上設有至少一個以上的中繼站，中繼站由上一級系統的接收端和下一級系統的發送端組成，採用相位編碼的BB84協議分別生成與前、後級系統各自獨立的量子密鑰，以多個點對點的量子密鑰分發進行連接和整合，並將多個「點對點」量子密鑰分發系統首尾相連；由A用戶終端將明文加密後發送至第一個中繼端，第一個中繼端根據相應的量子密鑰將密文解密後獲得明文，然後再將明文加密後發送至第二個中繼端，第二個中繼端根據相應的量子密鑰將密文解密後獲得明文，然後再將明文加密後發送至第三個中繼端，以此類推，直至明文傳輸至B用戶終端，實現超長距離的量子保密通信。
2.根據權利要求1所述遠程量子保密通信的中繼方法，其特徵在於所述中繼站由可編程門陣列控制，自動完成接收端和發送端的光脈衝觸發、單光子信號採集、密鑰糾錯、儲存和明文加解密。
3.根據權利要求1所述遠程量子保密通信的中繼方法，其特徵在於所述量子信道為傳輸單光子信號的通道，高速光模塊信道為傳輸密鑰篩選、密鑰糾錯和加密後密文信息，並通過波分復用的方式傳輸時鐘信號的通道。
全文摘要
本發明公開了一種遠程量子保密通信的中繼方法，其特點是由量子信道和高速光模塊信道連結兩用戶終端的鏈路上設有至少一個以上的中繼站，中繼站採用相位編碼的BB84協議生成各自相對獨立的密鑰，中繼站每連結一次將對傳輸的信息加密一次，並生成一個相應的密鑰，中繼站以多個點對點的密鑰分發進行連接和整合，實現超長距離的量子保密通信。本發明與現有技術相比具有點對點的遠程量子保密通信，保密程度高，系統安全性好，傳輸效率高的優點，大大提高了量子通信的有效傳輸距離，解決了單系統安全通信距離受限制的難題。
文檔編號H04L9/08GK102238005SQ20111023577
公開日2011年11月9日 申請日期2011年8月17日 優先權日2011年8月17日
發明者方中華, 曾和平, 陳杰 申請人:上海朗研光電科技有限公司