[發明專利]一種量子物理層保密通信系統

有效

• 申請號: 201911140446.3
• 申請日: 2019-11-20
• 公開（公告）號: CN110880956B
• 公開（公告）日: 2022-11-11
• 發明（設計）人: 胡建勇;楊柳;吳舒嘯;陳瑞云;秦成兵;張國峰;肖連團;賈鎖堂
• 申請（專利權）人: 山西大學
• 主分類號: H04B10/70
• 分類號: H04B10/70;H04B10/85
• 代理公司: 太原智慧管家知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 14114
• 代理人: 張洋

1.一種量子物理層保密通信系統，包括量子態的制備模塊、量子態檢測模塊、編碼模塊以及解碼模塊，其特征在于：

所述量子態制備模塊用于進行非正交量子態序列的制備，每個脈沖隨機的處于四個非正交量子態|0〉，|1〉，|+〉和|-〉之一，這里|0〉和|1為泡利Z算符的本征態，|±〉＝(|0〉±|1〉)/√2是泡利X算符的本征態；

所述量子態檢測模塊對量子態誤碼率進行檢測，通過隨機的選擇測量基對非正交量子態進行測量，通過測量結果估算誤碼率；

所述編碼模塊對整個光子序列進行編碼，操作I和U分別對應編碼為0和1，通過周期性的實施操作U和I編碼頻率信息，周期為T＝1/f，其中f為調制頻率，不同的調制頻率對應不同的二進制比特序列；

所述解碼模塊通過調制頻率與二進制比特序列的對應關系進行解碼，解碼之后即可獲得秘密信息；

其中，一種量子物理層保密通信系統的方法，包括以下步驟：

1)假設Bob想要發送秘密信息給Alice，Alice準備N₂個光脈沖，每個脈沖隨機的處于四個非正交量子態|0，|1，|+和|-之一，|0和|1〉為泡利Z算符的本征態，|±〉＝(|0±|1)/√2是泡利X算符的本征態，Alice將制備好的光脈沖序列發送給Bob，Bob接收到光脈沖序列后告知Alice這一事實；

2)由于信道噪聲和損耗的存在，Bob只能接收到N₁個光脈沖信號且N₁N₂，接下來，在控制模式下，Bob隨機的從N₁個脈沖中選擇CN₁個光脈沖進行竊聽檢測，其中0C≤1/2；Bob對這些光脈沖信號隨機的使用X和Z測量基進行測量，然后公布用于竊聽檢測的脈沖位置，使用的測量基以及測量結果；Alice接收到Bob公布的測量結果之后與自己制備的量子態進行比較即可獲得誤碼率；如果測量得到的誤碼率高于事先設定的閾值，則雙方放棄本次通信，如果誤碼率低于閾值，則認為Alice→Bob信道是安全的，進行步驟3)；

3)在編碼模式下，剩余的(1-C)N₁個光脈沖信號Bob將用于編碼秘密信息，Bob首先從剩余的脈沖序列中隨機的選擇C(1-C)N₁個光脈沖作為檢測脈沖用于檢測Bob→Alice信道中是否存在竊聽者；對這些用于檢測的光脈沖信號，Bob隨機的進行操作U＝iσy＝|01|-|10|和I＝|00|+|11|，其中操作U和I分別表示對量子進行翻轉和不翻轉操作，剩余的光子通過多通道頻率編碼方案進行編碼，這里進行頻率編碼時是調制量子態是否翻轉；

4)Bob將編碼后的光脈沖序列發送給Alice，由于Alice制備了量子態，所以知道每個光脈沖應該使用的測量基，并且Bob的編碼操作并沒有改變測量基；因此，Alice可以確定性的獲得Bob編碼的信息；Alice記錄每個光脈沖的比特值，雙方事先可以商定量子態翻轉表示編碼為1，不翻轉表示編碼為0；在去除檢測脈沖之后，Alice只接收到N個光脈沖信號用于解碼信息，其中N≤(1-C)²N₁，Alice和Bob公開比較檢測比特以確保在Bob→Alice信道傳輸過程中竊聽者并沒有對信息進行惡意篡改；隨后，Alice通過頻譜分析確定Bob編碼的秘密信息。