CN114172640B - 基于量子分发的排序置换安全通信方法 - Google Patents

基于量子分发的排序置换安全通信方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于量子分发的排序置换安全通信方法、***及存储介质，利用量子密钥分发***为远端用户建立量子真随机数同步共享机制；通信双方通过量子真随机数实时协商排序置换法则，即通信双方事先商定一个通信数据排序置换法则库、通信双方以量子真随机数为序号调用排序置换法则、按照排序置换法则对通信数据的先后顺序进行调整置换；以此实现高速明文信息的隐蔽安全通信方法。本发明实现低速量子真随机数和高速通信数据的速率适配，可作为现有信源加密、信道加密技术的重要补充，为光纤通信、无线电通信、无线光通信等应用提供全新的隐蔽安全通信思路。

Description

基于量子分发的排序置换安全通信方法
技术领域
本发明属于光纤通信、无线通信和量子通信的交叉学科领域，具体是指一种利用量子分发实现远端用户信息同步、实时协商通信数据排序置换法则、实现高速明文信息隐蔽安全传输的通信方法，尤其涉及一种对关键数据基于量子分发的排序置换安全通信方法、***及存储介质。
背景技术
量子通信技术基于海森堡测不准原理、量子不可分离原理、量子不可克隆原理等，是目前公认的、在理论上具备无条件安全性的通信技术。量子通信技术的核心是将真随机量子态保真无损的分发给通信双方，任何对传输信道的干扰(无论是窃听攻击还是环境变化)都会破坏通信双方的量子态同步共享机制并引起警觉。量子通信技术群中最为成熟的是量子密钥分发技术，此时同步共享的量子态被通信双方用于生成实时共享的密钥；按照量子态的使用方式不同，量子通信技术群还包括量子隐形传态、量子直接通信、量子授时同步等技术分支。
受量子光源输出重复频率、单光子探测器探测效率、传输信道(光纤)本征损耗等因素制约，现阶段量子分发速率始终限制在1kbps@100km量级，难以满足现代通信网络的高速数据传输需求。
发明内容
针对现有技术，本发明要解决的技术问题是如何利用数字通信信号调制多波长单光子序列，将明文信息同时加载在多波长单光子序列上；接收方根据多波长单光子序列的探测结果判断线路安全、解析明文信息，并通过经典信道向发送方提出纠错反馈和重传申请；通过多次重复上述过程，可实现以单光子为信息载体的量子直接通信。
本发明通过波分复用引入的冗余机制和纠错反馈主导的重传操作，能够有效解决以单光子为信息载体的量子直接通信因为传输损耗而造成的数据丢失问题，是一种可行性较高的量子直接通信方法。
为了达到上述效果，本发明提供的基于量子分发的排序置换安全通信方法，由发送方和接收方执行，同步共享通信双方量子真随机数，将量子真随机数序列转换为定长编号并从预先商定的排序置换法则库中调用排序置换法则，对通信数据进行变换和反变换以实现高速隐蔽安全通信。
优选的，上述方法具体包括：
步骤一、量子分发，通过量子态传递实现通信双方真随机数同步共享；
步骤二、法则选取，通过量子真随机数序列转换生成的定长编号为通信双方分发预先商定的排序置换法则；
步骤三、隐蔽变换，通信双方根据实时变化的排序置换法则对通信数据进行变换与反变换操作，实现高速隐蔽安全通信。
优选的，上述发送方和接收方之间由独立地量子信道互联，所述发送方和接收方共享信息满足不可克隆要求和不可复制要求。
优选的，上述发送方和接收方通过协商交互和信息后处理可提出错误量子比特，获取同步共享的量子真随机数序列。
优选的，上述排序置换法则库内包含多个互不相同的排序置换法则，排序置换法则描述了对长度为N位的通信数据各位序号重排顺序。
优选的，上述排序置换法则库内存储的排序置换法则应为总数为N！的排序置换法则全集的子集。
优选的，上述发送方和接收方通信双方商定排序置换法则库的方法包括但不限于手动配置和随机抽样，排序置换法则库是静态不变的或是动态更新的，更新方式包括但不限于使用上述量子真随机数同步共享机制；上市排序置换具体实施包括但不限定于逻辑方式、电学方式、光学方式，应用场景包括但不限于光纤通信、无线电通信、无线光通信。
优选的，上述量子密钥分发协议包括但不限于BB84协议、E91协议、BBM92协议、高维量子密钥分发协议、时间-能量纠缠协议、TF协议、连续变量量子密钥分发协议；所述信息载体包括但不限于光量子、自旋电子，量子信道包括但不限于光纤、电缆、自由空间，所述编码自由度包括但不限于偏振、时间比特、相位、频率、模场、自旋方向。
一种实现如上述基于量子分发的排序置换安全通信方法的***，包括量子光源、偏振控制器、偏振分束器、单光子探测器，还包括：
发送方模块和接收方模块，发送方模块和接收方模块之间由独立地量子信道互联；发送方模块和接收方模块共享信息满足不可克隆要求和不可复制要求；发送方模块和接收方模块通过协商交互和信息后处理可提出错误量子比特，获取同步共享的量子真随机数序列；
量子分发模块，通过量子态传递实现通信双方真随机数同步共享；
法则选取模块，通过量子真随机数序列转换生成的定长编号为通信双方分发预先商定的排序置换法则；
隐蔽变换模块，通信双方根据实时变化的排序置换法则对通信数据进行变换与反变换操作，实现高速隐蔽安全通信。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。
与现有技术相比，本发明具有以下优势：
1、可通过量子真随机数同步共享实现通信双方排序置换法则的同步共享，数位量子真随机数即可实现数十位(甚至更多)数据比特的隐蔽传输；
2、量子真随机数编译而成的序号数目2M与排序置换法则最高数目N！之间的比例越高，排序置换法则库中选取排序置换法则的方式越随机，数据传输的隐蔽性和安全性越强，具备无限复杂变换能力；
3、本发明的安全通信方法可与其它各类密码方案平行运转，即输入安全通信***的信息可以是明文信息也可以是密文信息，对通信网络上层结构不产生任何影响，亦可高度兼容于现有通信网络架构。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本发明基于单光子偏振态的量子分发***示意图；
图2示出了本发明排序置换安全通信方案框架示意图。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本发明，并不被配置为限定本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本实施例提供一种基于量子分发的排序置换安全通信方法，包括：
S1、量子分发，通过量子态传递实现通信双方真随机数同步共享；
S2、法则选取，通过量子真随机数序列转换生成的定长编号为通信双方分发预先商定的排序置换法则；
S3、隐蔽变换，通信双方根据实时变化的排序置换法则对通信数据进行变换与反变换操作，实现高速隐蔽安全通信。
本发明提供一种基于量子分发的排序置换安全通信方法的实施例，由发送方和接收方执行，同步共享通信双方量子真随机数，将量子真随机数序列转换为定长编号并从预先商定的排序置换法则库中调用排序置换法则，对通信数据进行变换和反变换以实现高速隐蔽安全通信。
本发明提供一种基于量子分发的排序置换安全通信方法的实施例，包括：
S101、量子分发，通过量子态传递实现通信双方真随机数同步共享；
S102、法则选取，通过量子真随机数序列转换生成的定长编号为通信双方分发预先商定的排序置换法则；
S103、隐蔽变换，通信双方根据实时变化的排序置换法则对通信数据进行变换与反变换操作，实现高速隐蔽安全通信。
在一些实施例中，发送方和接收方之间由独立地量子信道互联，所述发送方和接收方共享信息满足不可克隆要求和不可复制要求。
在一些实施例中，发送方和接收方通过协商交互和信息后处理可提出错误量子比特，获取同步共享的量子真随机数序列。
在一些实施例中，排序置换法则库内包含多个互不相同的排序置换法则，排序置换法则描述了对长度为N位的通信数据各位序号重排顺序。
在一些实施例中，排序置换法则库内存储的排序置换法则应为总数为N！的排序置换法则全集的子集。
在一些实施例中，发送方和接收方通信双方商定排序置换法则库的方法包括但不限于手动配置和随机抽样，排序置换法则库是静态不变的或是动态更新的，更新方式包括但不限于使用量子真随机数同步共享机制；上市排序置换具体实施包括但不限定于逻辑方式(写入读取)、电学方式(电学延迟)、光学方式(光学延迟)，应用场景包括但不限于光纤通信、无线电通信、无线光通信等。
在一些实施例中，量子密钥分发协议包括但不限于BB84协议、E91协议、BBM92协议、高维量子密钥分发协议、时间-能量纠缠协议、TF协议、连续变量量子密钥分发协议；所述信息载体包括但不限于光量子、自旋电子，量子信道包括但不限于光纤、电缆、自由空间，所述编码自由度包括但不限于偏振、时间比特、相位、频率、模场、自旋方向。
本发明还提供一种实现基于量子分发的排序置换安全通信方法的***，包括量子光源、偏振控制器、偏振分束器、单光子探测器，还包括：
发送方模块和接收方模块，发送方模块和接收方模块之间由独立地量子信道互联；发送方模块和接收方模块共享信息满足不可克隆要求和不可复制要求；发送方模块和接收方模块通过协商交互和信息后处理可提出错误量子比特，获取同步共享的量子真随机数序列；
量子分发模块，通过量子态传递实现通信双方真随机数同步共享；
法则选取模块，通过量子真随机数序列转换生成的定长编号为通信双方分发预先商定的排序置换法则；
隐蔽变换模块，通信双方根据实时变化的排序置换法则对通信数据进行变换与反变换操作，实现高速隐蔽安全通信。
如图1所示，本发明还提供一种基于单光子偏振态的量子分发***的实施例，量子光源产生的单光子序列等概率具有四种偏振态H(水平)、V(竖直)、+(45°)、-(135°)中的一种；发送方(Alice)通过偏振控制器和偏振分束器随机选择两组正交基矢中的一组(H/V或+/-)对单光子进行调制；Bob通过偏振控制器和偏振分束器随机选择两组正交基矢中的一组(H/V或+/-)对单光子进行解调并通过单光子探测器探测；Alice和Bob利用***道比对测量结果并剔除无效信息，双方获得同步共享的量子(二进制)真随机数序列；以此真随机数序列用作二进制密钥即为量子密钥分发。
本发明还提供一种计算机可读存储介质的实施例，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。
如图2所示，为本发明排序置换安全通信方案的实施例，具体工作流程如下：
S201、发送方Alice和接收方Bob之间预先商定量子真随机数(3位一组)和排序置换法则(8位一组)的对应关系；
S202、Alice和Bob通过量子密钥分发***实时共享了量子真随机数序列：000110001011，查询排序置换法则库确定排序置换法则为：87654321 21876543 7654321854321876；
S203、Alice将待发送明文01011000 01000010 01110011 01100010按照排序置换法则法则变换为密文00101010 10010000 10011101 00110010，通过经典信道传递给Bob；
S204、Bob根据排序置换法则对密文进行反变换，获取明文。
其中，在一些实施例中，排序置换法则库仅展示了部分排序置换法则，通过运算可知，当排序置换明文位数为N时，排序置换法则库最高可生成N！种排序置换法则；
在建立量子真随机数和排序置换法则对应关系时，量子真随机数采样位数M和排序置换明文位数N之间需满足2M<N！；
排序置换法则库毋须包含相同位数的全部排序置换法则，亦即可以使排序置换法则全集的一个子集，排序置换法则库中的排序置换法则可以是静态的也可以是动态的，可以手动配置也可以通过本发明所述方法分组分级更新配置。
本发明还提供一种基于量子分发的排序置换安全通信方法的实施例，包括：
S301、发送方和接收方的通信双方建立量子真随机数同步共享机制，该过程可通过传统量子密钥分发***实现，可参考BB84、E91、BBM92等各类量子密钥分发协议获取实时共享量子真随机数；
S302、将量子真随机数按定长转化为序号数字(可以通过存储提取-溢出丢弃的方式获得恒定更新速率的序号数字)，用以从预先商定的排序置换法则库内提取排序置换法则；
S303、发送方按照排序置换法则对通信数据进行排序置换变换、接收方按照排序置换法则对通信数据进行排序置换反变换，实现高速隐蔽安全通信；。
本发明还提供了一种基于量子分发的排序置换安全通信方法的实施例，将明文信息同时加载于多波长单光子序列，通过对多波长通道探测结果的冗余校验解译明文信息，通过纠错申请、反复重传等实现全部信息传递，有效地克服了传输损耗致单光子湮灭带来的数据丢失问题和非完美器件引发的噪声干扰问题，在具备量子通信通用安全属性的前提下，避免了量子保密通信方法可能面临的密钥传输泄露、密钥安全管理适当、窃听侦知与信息防护不同步等风险，可为实用化量子通信网络提供重要技术参考。
与现有技术相比，本发明具有以下优势：
1、可通过量子真随机数同步共享实现通信双方排序置换法则的同步共享，数位量子真随机数即可实现数十位(甚至更多)数据比特的隐蔽传输；
2、量子真随机数编译而成的序号数目2M与排序置换法则最高数目N！之间的比例越高，排序置换法则库中选取排序置换法则的方式越随机，数据传输的隐蔽性和安全性越强，具备无限复杂变换能力；
3、本发明的安全通信方法可与其它各类密码方案平行运转，即输入安全通信***的信息可以是明文信息也可以是密文信息，对通信网络上层结构不产生任何影响，亦可高度兼容于现有通信网络架构。
为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
本申请可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本申请，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。
内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。内存是计算机可读介质的示例。
计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于***实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (4)

1.一种基于量子分发的排序置换安全通信方法，由发送方和接收方执行，具体包括：
S201、发送方Alice和接收方Bob之间预先商定量子3位一组的真随机数和排序置换8位一组的法则的对应关系；
S202、Alice和Bob通过量子密钥分发***实时共享了量子真随机数序列：000110001011，查询排序置换法则库确定排序置换法则为：87654321 21876543 7654321854321876；
S203、Alice将待发送明文01011000 01000010 01110011 01100010 按照排序置换法则变换为密文 00011010 10010000 10011101 00110010，通过经典信道传递给Bob；
S204、Bob根据排序置换法则对密文进行反变换，获取明文；
所述排序置换法则库仅展示了部分排序置换法则，通过运算可知，当排序置换明文位数为N时，排序置换法则库最高可生成N!种排序置换法则；
在建立量子真随机数和排序置换法则对应关系时，量子真随机数采样位数M和排序置换明文位数N之间需满足2M<N！；
排序置换法则库不需要包含相同位数的全部排序置换法则，使排序置换法则全集的一个子集，排序置换法则库中的排序置换法则是静态的或是动态的。
2.根据权利要求1所述的基于量子分发的排序置换安全通信方法，其特征在于，所述发送方和接收方之间由独立地量子信道互联，所述发送方和接收方共享信息满足不可克隆要求和不可复制要求。
3.根据权利要求1或2所述的基于量子分发的排序置换安全通信方法，其特征在于，所述发送方和接收方通过协商交互和信息处理后可提出错误量子比特，获取同步共享的量子真随机数序列。
4.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现权利要求1-3任一项所述方法的步骤。
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