[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

本發明公開了一種量子物理層保密通信系統及其安全性分析方法，一種量子物理層保密通信系統，信息的發送方根據竊聽檢測過程估算誤碼率，然后根據誤碼率確定編碼方案，通過對光子的量子態操作進行編碼。信息的接收方通過測量光子的量子態變化進行解碼。本發明通過光子的量子態進行編碼，限制了竊聽者獲得的信息量，從而構建了量子物理層保密通信信道，基于量子力學基本原理保證了物理層安全通信合法信道所需的條件。

技術領域

本申請涉及保密通信領域，具體涉及一種量子物理層保密通信系統及其安全性分析方法。

背景技術

一次一密加密算法和物理層保密通信是目前已知的兩種具備信息論安全性的通信方式。但是在實際通信過程中，經典通信方式無法有效的執行這兩種通信方式。例如在密鑰的分發以及合法信道的構建等，通過經典通信方式難以完成。

量子通信基于量子力學基本原理可實現安全性可證明的通信，其與經典通信的本質區別在于其能夠實時監測信道中是否存在竊聽者。從1984年提出第一個量子密鑰分發方案以來，已經有多種量子通信方案被提出，如量子密鑰分發、量子秘密共享、量子物理層保密通信以及量子隱形傳態等。其中，部分方案已經實現了商業化。

量子物理層保密通信是一種重要的量子通信模式，相比于量子密鑰分發，量子物理層保密通信能夠在保證信息安全傳輸的前提下直接通過量子信道傳輸信息，而不需要通信雙方事先建立密鑰。但是在實際應用中，由于采用單光子量子的光源作為信息載體，信道損耗和噪聲會導致信息的丟失和誤碼。

發明內容

鑒于此，本發明的目的在于，提供一種量子物理層保密通信系統及其安全性分析方法，旨在克服現有通信過程中存在的采用單光子光源作為信息載體，信道損耗和噪聲會導致信息的丟失和誤碼。

為了達到上述發明目的，進而采取的技術方案如下：

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；

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。

一種量子物理層保密通信方法，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(N₁N₂)個光脈沖信號，接下來，Bob隨機的從N₁個脈沖中選擇CN₁(0C≤1/2)個光脈沖進行竊聽檢測 (控制模式)；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)；