專利名稱：一種遠(yuǎn)程量子保密通信的中繼方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種用于遠(yuǎn)程量子保密通信的中繼方法。
背景技術(shù)：
上世紀(jì)下半葉以來，科學(xué)家們在“海森堡測不準(zhǔn)原理”和“量子不可克隆原理”之上，逐漸建立了量子密碼術(shù)的概念。量子密碼術(shù)以單量子態(tài)作為信息載體，由于單量子態(tài)無法被克隆，而且任何測量操作都會改變其量子態(tài)，因此竊聽者無法在不被發(fā)現(xiàn)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(tài)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(lǐng)域都具有重要的研究價值。從上個世紀(jì)八十年代至今，量子保密通信已經(jīng)歷了近30年的基礎(chǔ)理論研究和安全性驗(yàn)證，目前其實(shí)用化的時機(jī)已經(jīng)成熟。隨著各國逐漸意識到量子通信的重要意義，其產(chǎn)品化的腳步也在加快。歐美等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)開始了高速量子通信和大規(guī)模保密通信網(wǎng)絡(luò)的探索，我國也將其列為重點(diǎn)科研項(xiàng)目進(jìn)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(tǒng)的通信距離一般不會超過100km，這種局限性使得點(diǎn)對點(diǎn)量子通信系統(tǒng)只能適用于城際的保密通信，而對于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范圍，對其實(shí)用化的發(fā)展進(jìn)程也帶來了阻礙。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足而設(shè)計(jì)的一種遠(yuǎn)程量子保密通信的中繼方法，它通過對多個點(diǎn)對點(diǎn)量子密鑰分發(fā)設(shè)備進(jìn)行連接和整合，利用高速光模塊數(shù)據(jù)交互的辦法實(shí)現(xiàn)保密中繼，從而突破了單系統(tǒng)的安全通信距離限制，而且整個過程中的數(shù)據(jù)交換和流程控制均由FPGA自動完成，確保量子通信系統(tǒng)的安全性。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種遠(yuǎn)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(diǎn)是由量子信道和高速光模塊信道鏈接A用戶終端和B用戶終端的鏈路上設(shè)有至少一個以上的中繼站，中繼站由上一級系統(tǒng)的接收端和下一級系統(tǒng)的發(fā)送端組成，采用相位編碼的BB84協(xié)議分別生成與前、后級系統(tǒng)各自獨(dú)立的量子密鑰，以多個點(diǎn)對點(diǎn)的量子密鑰分發(fā)進(jìn)行連接和整合， 并將多個“點(diǎn)對點(diǎn)”量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)首尾相連；由A用戶終端將明文加密后發(fā)送至第一個中繼端，第一個中繼端根據(jù)相應(yīng)的量子密鑰將密文解密后獲得明文，然后再將明文加密后發(fā)送至第二個中繼端，第二個中繼端根據(jù)相應(yīng)的量子密鑰將密文解密后獲得明文，然后再將明文加密后發(fā)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(shí)現(xiàn)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(fā)送端的光脈沖觸發(fā)、單光子信號采集、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、密鑰糾錯和加密后密文信息，并通過波分復(fù)用的方式傳輸時鐘信號的通道。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有點(diǎn)對點(diǎn)的遠(yuǎn)程量子保密通信，保密程度高，系統(tǒng)安全性好，傳輸效率高的優(yōu)點(diǎn)，大大提高了量子通信的有效傳輸距離，解決了單系統(tǒng)安全通信距離受限制的難題。


圖1為本發(fā)明工作流程圖； 圖2為中繼站工作流程圖。
具體實(shí)施例方式參閱附圖1，本發(fā)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(gòu)成量子保密通信系統(tǒng)，中繼站3由上一級系統(tǒng)的接收端和下一級系統(tǒng)的發(fā)送端組成，采用相位編碼的BB84協(xié)議分別生成與前后級各自相對獨(dú)立的量子密鑰，以多個點(diǎn)對點(diǎn)的量子密鑰分發(fā)進(jìn)行連接和整合，并將多個“點(diǎn)對點(diǎn)”量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)首尾相連，中繼站3每鏈接一次將對傳輸?shù)男畔⒓用芤淮危⑸梢粋€相應(yīng)的量子密鑰，當(dāng)量子密鑰累計(jì)到一定長度以后，由A用戶終端1將明文加密后發(fā)送至第一個中繼端3，第一個中繼端3根據(jù)相應(yīng)的量子密鑰將密文解密后獲得明文，然后再將明文加密后發(fā)送至第二個中繼端3，第二個中繼端3根據(jù)相應(yīng)的量子密鑰將密文解密后獲得明文，然后再將明文加密后發(fā)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(diǎn)對點(diǎn)的量子密鑰分發(fā)進(jìn)行連接和整合，實(shí)現(xiàn)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(diǎn)對點(diǎn)”量子保密通信系統(tǒng)，由多個“點(diǎn)對點(diǎn)”量子保密通信系統(tǒng)組成了一個通訊鏈路，此通信系統(tǒng)的每個“點(diǎn)對點(diǎn)”系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可簡化為發(fā)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(diǎn)對點(diǎn)”系統(tǒng)，當(dāng)多個“點(diǎn)對點(diǎn)”系統(tǒng)首尾相連后即組成一個通訊鏈，其中每一個“點(diǎn)”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(jié)點(diǎn)為中繼端3，因此，中繼端3的硬件包括了上一級系統(tǒng)的接收端和下一級系統(tǒng)的發(fā)送端以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換設(shè)備。在這“點(diǎn)對點(diǎn)”量子保密通信系統(tǒng)的長距離通訊鏈路中，每一個“點(diǎn)對點(diǎn)”系統(tǒng)的密鑰生成過程是相對獨(dú)立的，并且均采用相位編碼的BB84方案成碼，其接收端和發(fā)送端各有一個可編程門陣列(FPGA)控制面板，負(fù)責(zé)對硬件的控制和數(shù)據(jù)操作。在發(fā)送端FPGA的主要功能為提供同步時鐘信號；實(shí)現(xiàn)對單光子脈沖信號的調(diào)制；實(shí)現(xiàn)對單光子探測器的數(shù)據(jù)采集。在接收端FPGA的主要功能為接收同步時鐘信號，實(shí)現(xiàn)對單光子脈沖信號的調(diào)制。 收、發(fā)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用于傳輸單光子信號， 高速光模塊信道5為高速光模塊連接的經(jīng)典信道，用于傳輸密鑰篩選、密鑰糾錯以及加密后密文等信息，并通過波分復(fù)用的方式傳輸時鐘信號。當(dāng)通訊開始后，通訊鏈路上的每一個 “點(diǎn)對點(diǎn)，，系統(tǒng)開始按照BB84協(xié)議生成密鑰，當(dāng)密鑰累計(jì)到一定長度以后，由第一個“點(diǎn)，，A 用戶終端1開始，將明文加密并發(fā)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，然后再將明文用第二級的密鑰加密并傳送至第二個中繼端3，以此類推，直至明文傳輸至最后一級，這樣便實(shí)現(xiàn)了長距離的量子保密通信。參閱附圖2，本發(fā)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(dāng)“Alice”首先通過高速光模塊信道5向通訊鏈路中的各個“節(jié)點(diǎn)”即各個中繼端3和“Bob”發(fā)起通訊請求，當(dāng)每個“節(jié)點(diǎn)”宣布備好以后，鏈路中的每一個“點(diǎn)對點(diǎn)”系統(tǒng)開始密鑰分發(fā)(這個過程可以同時進(jìn)行，但并不需要完全同步)，生成的初始密鑰還需要經(jīng)過奇偶校驗(yàn)等糾錯過程，然后存放在儲存器中，這樣每個節(jié)點(diǎn)都具有了各自的密碼本，我們設(shè)“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(chǎn)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(dāng)密鑰產(chǎn)生了一定數(shù)量以后“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，并按照一次一密的原則對明文信息進(jìn)行加密(加密過程可采用異或的邏輯操作)，并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 收到密文后，同樣按照先入先出的方式抽取密鑰K1，并對密文進(jìn)行解密操作從而得到明文， 然后Bl將明文傳遞給發(fā)送端A2(這個過程可以在FPGA芯片內(nèi)部完成)，A2按照“Alice” 相同的操作辦法用K2對明文加密，并將密文傳送給下一個中繼端3的接收端B2，B2收到密文后，同樣按照先入先出的方式抽取密鑰K3，并對密文進(jìn)行解密操作從而得到明文，然后 B2將明文傳遞給發(fā)送端A3，以此類推，直到“Bob ‘獲得明文，整個通信過程結(jié)束。在上述的通信過程中，通信鏈上的每一個“點(diǎn)對點(diǎn)”系統(tǒng)生成的量子密鑰均進(jìn)行了密鑰糾錯和保密增強(qiáng)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，包括光脈沖觸發(fā)，單光子信號采集，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，由于可編程門陣列(FPGA)并不開放密碼本存儲芯片的物理接口，因此中繼的過程可以理解為在黑盒中進(jìn)行，任何妄圖通過攻擊設(shè)備而遠(yuǎn)程竊取密碼本的行為都將無計(jì)可施，這種方式實(shí)現(xiàn)了對安全性的有力保障。以上只是對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，并非用以限制本專利，凡為本發(fā)明等效實(shí)施， 均應(yīng)包含于本專利的權(quán)利要求范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種遠(yuǎn)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，其特征在于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(shè)有至少一個以上的中繼站，中繼站由上一級系統(tǒng)的接收端和下一級系統(tǒng)的發(fā)送端組成，采用相位編碼的BB84協(xié)議分別生成與前、后級系統(tǒng)各自獨(dú)立的量子密鑰，以多個點(diǎn)對點(diǎn)的量子密鑰分發(fā)進(jìn)行連接和整合，并將多個“點(diǎn)對點(diǎn)”量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)首尾相連；由A用戶終端將明文加密后發(fā)送至第一個中繼端，第一個中繼端根據(jù)相應(yīng)的量子密鑰將密文解密后獲得明文，然后再將明文加密后發(fā)送至第二個中繼端，第二個中繼端根據(jù)相應(yīng)的量子密鑰將密文解密后獲得明文，然后再將明文加密后發(fā)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(shí)現(xiàn)超長距離的量子保密通信。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述遠(yuǎn)程量子保密通信的中繼方法，其特征在于所述中繼站由可編程門陣列控制，自動完成接收端和發(fā)送端的光脈沖觸發(fā)、單光子信號采集、密鑰糾錯、儲存和明文加解密。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述遠(yuǎn)程量子保密通信的中繼方法，其特征在于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、密鑰糾錯和加密后密文信息，并通過波分復(fù)用的方式傳輸時鐘信號的通道。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種遠(yuǎn)程量子保密通信的中繼方法，其特點(diǎn)是由量子信道和高速光模塊信道鏈接兩用戶終端的鏈路上設(shè)有至少一個以上的中繼站，中繼站采用相位編碼的BB84協(xié)議生成各自相對獨(dú)立的密鑰，中繼站每鏈接一次將對傳輸?shù)男畔⒓用芤淮?，并生成一個相應(yīng)的密鑰，中繼站以多個點(diǎn)對點(diǎn)的密鑰分發(fā)進(jìn)行連接和整合，實(shí)現(xiàn)超長距離的量子保密通信。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有點(diǎn)對點(diǎn)的遠(yuǎn)程量子保密通信，保密程度高，系統(tǒng)安全性好，傳輸效率高的優(yōu)點(diǎn)，大大提高了量子通信的有效傳輸距離，解決了單系統(tǒng)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(yōu)先權(quán)日2011年8月17日
發(fā)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