[發明專利]一種基于氫原子的混合量子通信方法

在審

• 申請號: 201811468223.5
• 申請日: 2018-12-03
• 公開（公告）號: CN109450626A
• 公開（公告）日: 2019-03-08
• 發明（設計）人: 蔡政英;屈靜
• 申請（專利權）人: 三峽大學
• 主分類號: H04L9/08
• 分類號: H04L9/08;H04B10/70;H04B10/85
• 代理公司: 宜昌市三峽專利事務所 42103
• 代理人: 余山

一種基于氫原子的混合量子通信方法，包括Alice量子通信模塊、Bob量子通信模塊，并均具備經典通信和量子通信兩種通信模式；Alice量子通信模塊與Bob量子通信模塊之間形成兩條通信通道；其中一條通信通道為經典信道；其中另一條通信通道為量子信道；Alice量子通信模塊與Bob量子通信模塊既可作為發送方也可以作為接收方，均具有制備量子密鑰的能力；經典信道與量子信道均能夠進行雙向通信，通信雙方使用經典信道傳輸加密信息，并使用量子信道傳輸量子密鑰。本發明能夠解決現有的量子通信方案抗干擾能力不強、不適合量子比特的存儲和管理、抗量子攻擊能力較弱、通信失敗幾率較高的技術問題，且能夠兼容現有的經典通信網絡。

技術領域

本發明屬于計算機網絡、通信領域及量子加密領域，具體涉及一種基于氫原子的混合量子通信方法。

背景技術

隨著互聯網時代的快速發展，信息通信應用越來越廣泛，通信安全問題也日益受到重視。現在比較常見的加密算法都是傳統的、基于算法的加密方式，如DES加密或RSA加密體系，這些方法的安全性比較依賴于數學算法的復雜性，通過增加密碼位數等方法導致經典計算機無法在有限時間內完成求解來提高通信安全性。但是這種基于算法的加密方式在量子計算出現后，安全性已經備受質疑。比如量子計算機能夠在幾秒內完成幾百臺計算機上百年的計算工作，量子Grover算法能夠輕松破解DES加密體系，Shor算法能夠破解RSA加密體系。

近年來還出現了量子通信技術，如BB84協議、B92協議、EPR協議、GHZ協議等，大大提高了通信的安全性。在量子通信中，量子密鑰的分配基于海森堡測不準原理以及量子態不可克隆定理，在分配密鑰的時候還會測量是否有非法竊聽，如果有外界的竊聽者試圖在傳輸過程中測量量子消息，會導致量子態的坍塌，從而被察覺。

當前國內外廣泛使用的量子通信主要有以下幾個特點：一是利用光子進行量子糾纏操作，最著名的幾個量子加密協議，如BB84協議、B92協議、EPR協議、GHZ協議等均使用糾纏光子對；二是先利用量子信道進行密鑰的通信，之后再通過經典信道來進行密鑰的協商并找出是否有竊聽者存在，最后再協商出可用的密鑰，并使用經典信道傳輸加密信息；三是正交基比較少，比如BB84協議使用了兩套不同的正交基：用光子的線性偏振狀態|0°>和|90°>(代表水平線性偏振狀態和垂直線性偏振狀態)以及旋轉偏振狀態|45°>和|135°>。這些量子通信技術提供了一種理論上絕對安全的通信技術。

雖然當前的量子通信技術已經大大提高了通信的安全性，但仍然有一些明顯的不足之處。

問題1：首先，當前的量子通信方案不適合量子比特的存儲和管理。當前的量子通信方案廣泛使用光子作為量子比特，如BB84協議、B92協議、EPR協議、GHZ協議等，主要原因是光子適合使用激光器件產生，并由光學元件組成光路進行量子糾纏操作，但是光子也是飛行比特，其速度為光速，在計算機中幾乎無法保存。所以當前的量子通信方案無一例外地每次通信都要產生新的光子，無法實現飛行光子的存儲和管理。

問題2：當前的量子通信方案抗干擾能力不強。由于使用光子的偏振態組成字母表，如一組0度和90度，另一組45度和135度，使用上和實現上比較方便；但是，顯然兩組編碼間的正交性不強，碼距比較短，對測量精度要求比較高。在比較理想的狀態下，Alice和Bob可以生成以及共同享有一樣的隨機密鑰。在實際的操作中，要考慮的還有儀器的誤差以及環境噪聲，比如在通信中測量到22.5度，將無法判斷是0度字母中導致的還是45度字母表中導致的，或者是有竊聽者或有環境噪聲，雙方必須公布測量方法才能進一步確定。在當前各種量子通信中，如BB84協議、B92協議、EPR協議、GHZ協議等，都反復強調易受環境噪聲的影響，當測量噪聲比較大時，或被攻擊者使用量子噪聲干擾時，將很難被區分這類測量誤差是由Eve竊聽所造成的還是由信道噪聲所造成的，因此現有的量子通信方案對光子物理態測量的精度要求非常高。