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，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。所說的密鑰協(xié)議或公鑰協(xié)議是針對加密鑰而言的，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。無論對于哪類協(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，計(jì)算復(fù)雜性反映的是某種“最壞可能”下的計(jì)算開銷。而有大量文獻(xiàn)一致地表明，NP(非確定圖靈機(jī)多項(xiàng)式)問題算法的計(jì)算開銷經(jīng)常具有高度的可變性，如計(jì)算開銷的概率分布具有重尾特性；計(jì)算開銷易受到問題實(shí)例的某些參數(shù)的影響(稱為相遷移)。計(jì)算開銷的高可變性暗示了可能存在能有效求解“困難”問題的某些特殊的經(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，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。現(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)對于測量的不可逆性。一般地說，就是對量子系統(tǒng)的測量將使決定系統(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)顯著性檢測到任何可能存在的非法偵聽者，從而實(shí)現(xiàn)無條件安全的密鑰發(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)的測量是一個(gè)概率事件，測量將使量子比特的狀態(tài)以特定的概率塌縮到測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，用測量基|0°＞或|90°＞測量本征偏振為|45°＞或|135°＞的光子，將以等概率獲得測量結(jié)果|0°＞或|90°＞，并使被測光子的本征偏振相應(yīng)地成為|0°＞或|90°＞；同樣，用測量基|45°＞或|135°＞測量本征偏振為|0°＞或|90°＞的光子，將以等概率獲得測量結(jié)果|45°＞或|135°＞，并使被測光子的偏振相應(yīng)地成為|45°＞或|135°＞。由于測量的過程不可避免地使光子的偏振塌縮為兩個(gè)測量基之一，所以測量過程實(shí)際上也是制備具有特定偏振方向的光子的過程。
量子秘鑰發(fā)布方法是由Bennet和Brassard在1984年提出的，以下簡稱該方法為BB84。

圖1是BB84方法的信道結(jié)構(gòu)示意圖，包括發(fā)送方、接收方和偵聽方，且發(fā)送方與接收方之間通過經(jīng)典信道和量子信道連接。經(jīng)典信道可能被偵聽，但不會(huì)被阻塞，即偵聽方可以竊聽到合法的發(fā)送方和接收方之間的通信，但是無法屏蔽或修改通信內(nèi)容。而量子信道既可能被偵聽，也可能被阻塞。不可阻塞的經(jīng)典信道可以防止偽裝偵聽，即偵聽方屏蔽發(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)送方無法區(qū)分偽裝偵聽方與合法接收方。需要指出的是，絕對不可阻塞的信道實(shí)際上并不存在，但是確實(shí)有一些相對較可靠的近似不可阻塞信道，例如在開放空間中傳播的無線廣播和無線電報(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)行測量；然后接收方通過經(jīng)典信道向發(fā)送方宣布其每次測量所用的基；發(fā)送方通過經(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)顯著性確定偵聽方是否進(jìn)行了偵聽。具體地說，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方偵聽，或者光子序列在傳輸過程中受到了超過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經(jīng)典信道進(jìn)行誤差校驗(yàn)、隱私放大的過程，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，如果采用量子密鑰發(fā)布機(jī)制來進(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)議對信息進(jìn)行加密，再通過經(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。在傳輸和測量的過程中，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量基所造成的誤差。從廣義上說，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)不被可能的偵聽方探知。理論上，根據(jù)某種糾錯(cuò)編碼，簡單地由發(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)際上并沒有區(qū)分對待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?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)級的容錯(cuò)編碼，在區(qū)內(nèi)進(jìn)行比特級的糾錯(cuò)編碼；二、發(fā)送方將經(jīng)過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，如果確定被偵聽，則終止發(fā)送；如果確定沒有被偵聽，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)過某種經(jīng)典編碼方法處理過的編碼數(shù)據(jù)在傳送過程中是否曾被偵聽，如果已被偵聽，則使偵聽方截獲的編碼數(shù)據(jù)無效；如果未被偵聽，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)過嚴(yán)格檢驗(yàn)的物理規(guī)律，而非對某種“困難”算法計(jì)算復(fù)雜性的假設(shè)，而且無須使用密鑰，也就不存在密鑰泄漏的問題；另外本方法所涉及的各模塊的功能明確、耦合松散，可相對較有效地檢測出可能存在的系統(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。
下面參見圖3和圖4對本發(fā)明的量子加密方法進(jìn)行詳細(xì)的介紹。
參見圖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)長度為lD的子比特流D1，D2，...，Dn，這一過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量基和制備基不同而丟棄編碼數(shù)據(jù)區(qū)的問題，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)有效的比特級錯(cuò)誤校正，對糾錯(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?？赡艽嬖诘膫陕牱綗o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)地選定一組測量基，測量光子序列中Bjw+1q，Bjw+2q，...，Bjw+wq中每個(gè)光子的偏振，并映射為比特值，記錄測量結(jié)果。
發(fā)送方通過經(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量基相同。接收方簡單地拋棄制備基和測量基不同的光子序列所對應(yīng)的比特流，利用事先約定的糾錯(cuò)碼恢復(fù)制備基和測量基相同的比特流中的傳輸誤差，再從每個(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方偵聽，執(zhí)行步驟305，若此時(shí)光子序列沒有全部傳輸完畢，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量基相同，類似前面的安全驗(yàn)證過程，接收方簡單拋棄制備基和測量基不同的光子序列所對應(yīng)的比特流。由于通過適當(dāng)選取n和m，可使制備基和測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)比特流中對應(yīng)的比特流不匹配，則認(rèn)為光子序列已被偵聽方偵聽，或者光子序列在傳輸過程中受到了超過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)過多次重發(fā)仍無法通過安全驗(yàn)證，則說明信道可能存在致命問題，結(jié)束傳輸過程。
本發(fā)明所述方法的安全性在于通過適當(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的任意概率檢測出偵聽方的存在；并且，由于數(shù)據(jù)在傳輸前經(jīng)過了容錯(cuò)的編碼處理，只要w＜n，偵聽方在任何時(shí)候都無法擁有可以用來恢復(fù)源數(shù)據(jù)的信息。
下面通過一個(gè)示意性的例子說明本發(fā)明的可靠性。假定待傳送的機(jī)密數(shù)據(jù)長度為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)總長度和n，直接得lC＝lD＝100；利用Reed－Solomon碼將長度為100比特的400個(gè)源比特流編碼為長度仍為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。由接收方通過經(jīng)典信道向發(fā)送方傳送對安全驗(yàn)證序列的測量結(jié)果。經(jīng)簡單的概率計(jì)算可知，如果本次通信窗口中的光子序列被偵聽，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,]]>即如果偵聽者存在，則幾乎必然被檢測到。
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)級的容錯(cuò)編碼，在區(qū)內(nèi)進(jìn)行比特級的糾錯(cuò)編碼；二、發(fā)送方將經(jīng)過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，如果確定被偵聽，則終止發(fā)送；如果確定沒有被偵聽，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)選定一組測量基，測量收到的光子序列中每個(gè)光子的偏振，并映射為比特值，記錄測量結(jié)果；(二)發(fā)送方通過經(jīng)典信道，向接收方發(fā)送上述光子序列的制備基；(三)接收方簡單拋棄制備基和測量基不同的光子序列所對應(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應(yīng)的容錯(cuò)比特流中對應(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)議安全性較差等問題，首先發(fā)送方將源比特流分區(qū)，并進(jìn)行區(qū)級的容錯(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，通過量子信道傳送一定長度的光子子序列；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，若被偵聽則認(rèn)為量子信道不安全，終止發(fā)送；若沒有，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)典編碼方法處理過的編碼數(shù)據(jù)在傳送過程中是否曾被偵聽。
文檔編號(hào)H04L9/14GK1447558SQ0211120
公開日2003年10月8日 申請日期2002年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月25日
發(fā)明者侯越先 申請人:深圳市中興通訊股份有限公司