[發明專利]一種基于量子隨機數的量子密鑰分發系統及方法

有效

• 申請號: 202110095669.3
• 申請日: 2021-01-25
• 公開（公告）號: CN112994877B
• 公開（公告）日: 2022-06-21
• 發明（設計）人: 胡倩倩;馮寶;張天兵;趙子巖;閆龍川;劉新;王文婷;高德荃;陳智雨;李冬;楊維永;賈瑋;卞宇翔;張強強
• 申請（專利權）人: 南京南瑞國盾量子技術有限公司;國網電力科學研究院有限公司;國家電網有限公司信息通信分公司;國網山東省電力公司
• 主分類號: H04L9/08
• 分類號: H04L9/08
• 代理公司: 南京縱橫知識產權代理有限公司 32224
• 代理人: 張賞

本發明公開了一種基于量子隨機數的量子密鑰分發系統及方法，屬于量子通信技術領域，本發明在現有Faraday?Michelson干涉儀的量子密鑰分發系統的基礎上，使用光開關進行光路控制，并使用隨機數生成模塊生成隨機比特串，構建基于量子隨機數的量子密鑰分發系統。相比于傳統F?M系統，本發明不僅僅可以用于長距離的光量子通信，并且具有強大的抗干擾能力，還能有效地避免隨機數泄露所導致的安全問題，為智能電網的安全運作提供了進一步保障。

技術領域

本發明公開了一種基于量子隨機數的量子密鑰分發系統及方法，屬于量子保密通信技術領域。

背景技術

量子保密通信技術以其特有的密鑰安全分發機制迅速發展，并逐步走向商用。量子保密通信的絕對安全性在原理上被嚴格證明，可以解決數據加密傳輸的安全性問題。相較經典通信方式，量子保密通信不可破解，任何企圖竊取信息的操作都會被立刻發現，量子保密通信將在社會各領域大規模應用保障信息傳輸的安全。量子保密通信是將量子技術與現有信息保密體系結合，極大提高了數據保護的安全級別，有效保障了信息的安全傳送。

根據經典信息論，采用“一次一密”的對稱加密方案，可以實現絕對的通信安全性，即使量子計算機也無法對其產生威脅。該方案要求通信雙方在通信前進行密鑰分發，經典密鑰分發難以保證密鑰的安全性，而量子密鑰分發(Quantum Key Distribution,QKD)則具有無條件的安全性，這種安全性依賴于量子力學的基本原理。著名的QKD協議有BB84協議、B92協議等。這些協議都含有隨機選取測量基的步驟，因此在協議過程中必然涉及隨機數生成的環節。

隨機數的生成必須滿足不可預測性，而經典力學無法保證這一特性。在經典計算中，隨機數是由特定的生成算法和隨機種子來產生的，一旦算法流程和隨機種子被確定，其生成的數值也可被確定。因此，經典的隨機數從理論上是可以預測的，這會在一些應用中產生安全隱患。例如在BB84協議中，竊聽者如果獲得了發送者產生的隨機數，將能夠在不被發現的情況下獲取完整的密鑰信息。量子力學具有內在的隨機性，利用量子隨機性來產生隨機數的設備稱為量子隨機數發生器(Quantum Random Number Generator,QRNG)，相比與經典的隨機數發生器，其具有物理上的不可預測性。目前的QRNG實現方案主要依賴于光學系統，如基于光子計數、基于光子到達時間、基于光子到達位置等。

發明內容

本發明提出一種基于量子隨機數的量子密鑰分發系及方法，該系統是對F-M系統的改進，在隨機數生成方面有著更高的安全性。

本發明采用的技術方案如下：

本發明提供一種基于量子隨機數的量子密鑰分發系統，包括：F-M系統和隨機數生成模塊；

所述隨機數生成模塊用于生成隨機比特串；

所述F-M系統用于采用所述隨機比特串對激光光源進行量子態調制生成量子密鑰并分發；

所述F-M系統包括激光二極管，光衰減器，耦合器C1和耦合器C2；

所述激光二極管的輸出端設光開關S1，光衰減器的輸入端設端口P1，耦合器C1的輸入端設端口P2，光衰減器的輸出端設光開關S2，耦合器C2的輸入端設端口P3；

所述隨機數生成模塊的輸入端設端口P4；

所述量子密鑰分發系統在隨機數生成階段，光開關S1與端口P1連通，光開關S2與端口P4連通；

所述量子密鑰分發系統在密鑰分發階段，光開關S1與端口P2連通，光開關S2與端口P3連通。

進一步的，所述F-M系統還包括發送方主控模塊，接收方主控模塊，旋轉鏡FM1，旋轉鏡FM2，旋轉鏡FM3，旋轉鏡FM4，相位調制器PMa，相位調制器PMb和單光子雪崩二極管；

所述激光二極管用于輸出連續的激光；