基于两种不同粒子状态的双向量子密钥分发方法

摘要

本发明公开了一种基于两种不同粒子状态的双向量子密钥分发方法，协议的双方Alice和Bob都是密钥的发送方和接收方，是一个双向通信的协议，每个参与者给出一半的经典序列来生成最终的密钥，在多节点的通信网络中，两个组织（机构）之间建立通信是建立在平等的、安全的基础上的，秘密密钥由双方共同决定产生，并且具有较好的效率。同时，本发明中协议的参与者Alice和Bob制备不同基上的量子态，这会增加外部攻击者在密钥传输过程中的攻击难度，能够很好的保护密钥分发的安全性。此外，本发明改变了传统的密钥分发模式，取消了一个量子功能强大的可信第三方，在多节点的应用环境中能够有效的控制设备成本。

说明书

技术领域

本发明属于量子通信技术领域，具体涉及一种基于两种不同粒子状态的双向量子密钥分发方法的设计。

背景技术

现有的量子密钥分发协议（QKD）大多数主要由密钥的分发方和密钥的接收方组成，双方要建立一次安全的通信参与者双方都需获得一个只有他们自己知道的密钥，现有的QKD有两种模式：参与者中的一方分发给另一方的分发模式和依赖于可信第三方的分发模式。在第一种分发模式当中存在着不平等的关系，而第二种分发模式又过于依赖可信第三方，在互联网发展迅速的前提下，在多节点的通信网络中双方或多方建立通信所需要的条件较高。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于两种不同粒子状态的双向量子密钥分发方法，改变传统的密钥分发模式，取消一个量子功能强大的可信第三方，在多节点的应用环境中能够有效的控制设备成本。

本发明的技术方案为：基于两种不同粒子状态的双向量子密钥分发方法，包括以下步骤：

S1、第一协议方Alice随机生成二进制字符串，并根据二进制字符串中的字符制备对应的单光子态粒子；其中，为最后得到密钥的长度。

S2、第一协议方Alice对制备完成的单光子态粒子随机进行H操作或I操作，并将H操作或I操作后得到的粒子发送给第二协议方Bob。

S3、第二协议方Bob对接收到的粒子进行H操作或I操作，并对H操作或I操作后得到的粒子进行Z基测量，得到粒子具体的量子态，并进行窃听检测。

S4、第一协议方Alice和第二协议方Bob进行讨论，保留使用相同操作的粒子，同时第一协议方Alice更新二进制字符串，第二协议方Bob获取二进制字符串。

S5、第二协议方Bob随机生成二进制字符串，并根据二进制字符串中的字符和二进制字符串中的字符制备对应的Bell态粒子；其中。

S6、第二协议方Bob对制备完成的Bell态粒子进行H操作后发送给第一协议方Alice。

S7、第一协议方Alice将接收到的粒子还原为第二协议方Bob制备的Bell态粒子，并进行Bell基测量，获取二进制字符串。

S8、第一协议方Alice将Bell基测量的一半结果公开，进行窃听检测，同时第一协议方Alice和第二协议方Bob更新二进制字符串。

S9、第一协议方Alice和第二协议方Bob得到对方的密钥，双方结合对方的密钥和自己的密钥进行通信。

进一步地，步骤S1中第一协议方Alice根据二进制字符串中的字符制备对应的单光子态粒子的具体方法为：

若，则第一协议方Alice制备单光子态粒子；若，则第一协议方Alice制备单光子态粒子。

进一步地，步骤S2和S3中H操作具体为：将单光子态粒子转变为，将单光子态粒子转变为。

进一步地，步骤S2和S3中I操作具体为：保持单光子态粒子和不变。

进一步地，步骤S5中第二协议方Bob根据二进制字符串中的字符和二进制字符串中的字符制备对应的Bell态粒子的具体方法为：

若，则第二协议方Bob制备Bell态粒子；若，则第二协议方Bob制备Bell态粒子；若，则第二协议方Bob制备Bell态粒子；若，则第二协议方Bob制备Bell态粒子。

进一步地，步骤S6中H操作具体为：将Bell态粒子转变为叠加态粒子，将Bell态粒子转变为叠加态粒子，将Bell态粒子转变为叠加态粒子，将Bell态粒子转变为叠加态粒子。

本发明的有益效果是：

（1）在本发明中，协议的双方Alice和Bob都是密钥的发送方和接收方，是一个双向通信的协议，每个参与者给出一半的经典序列来生成最终的密钥，在多节点的通信网络中，两个组织（机构）之间建立通信是建立在平等的、安全的基础上的，秘密密钥由双方共同决定产生，并且具有较好的效率。

（2）本发明中协议的参与者Alice和Bob制备不同基上的量子态，这会增加外部攻击者在密钥传输过程中的攻击难度，能够很好的保护密钥分发的安全性。

（3）本发明改变了传统的密钥分发模式，取消了一个量子功能强大的可信第三方，在多节点的应用环境中能够有效的控制设备成本。

附图说明

图1所示为本发明实施例提供的基于两种不同粒子状态的双向量子密钥分发方法流程图。

具体实施方式

现在将参考附图来详细描述本发明的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本发明的原理和精神，而并非限制本发明的范围。

本发明实施例提供了一种基于两种不同粒子状态的双向量子密钥分发方法，如图1所示，包括以下步骤S1~S9：

S1、第一协议方Alice随机生成二进制字符串，并根据二进制字符串中的字符制备对应的单光子态粒子；其中，为最后得到密钥的长度。

本发明实施例中，若，则第一协议方Alice制备单光子态粒子；若，则第一协议方Alice制备单光子态粒子。

S2、第一协议方Alice对制备完成的单光子态粒子随机进行H操作或I操作，并将H操作或I操作后得到的粒子发送给第二协议方Bob。

S3、第二协议方Bob对接收到的粒子进行H操作或I操作，并对H操作或I操作后得到的粒子进行Z基测量，得到粒子具体的量子态，并进行窃听检测。

本发明实施例中，针对步骤S2和S3中的单光子态粒子，H操作具体为：将单光子态粒子转变为，将单光子态粒子转变为；I操作具体为：保持单光子态粒子和不变。

本发明实施例中，Z基测量的主要目的是得到粒子具体的量子态，其次是通过量子测不准原理从而达到窃听检测的功能。

S4、第一协议方Alice和第二协议方Bob进行讨论，保留使用相同操作的粒子，同时第一协议方Alice更新二进制字符串，第二协议方Bob获取二进制字符串。

S5、第二协议方Bob随机生成二进制字符串，并根据二进制字符串中的字符和二进制字符串中的字符制备对应的Bell态粒子；其中。

本发明实施例中，第二协议方Bob制备Bell态粒子的策略如表1所示：

表1 Bob制备Bell态的策略

S6、第二协议方Bob对制备完成的Bell态粒子进行H操作后发送给第一协议方Alice。

本发明实施例中，针对步骤S6中的Bell态粒子，H操作具体如表2所示：

表2 Bell粒子的H操作结果

S7、第一协议方Alice将接收到的粒子还原为第二协议方Bob制备的Bell态粒子，并进行Bell基测量，获取二进制字符串。

本发明实施例中，Bell基测量的目的是得到粒子的量子态，从而获取最终密钥，起到窃听检测的作用。

S8、第一协议方Alice将Bell基测量的一半结果公开，进行窃听检测，同时第一协议方Alice和第二协议方Bob更新二进制字符串。

S9、第一协议方Alice和第二协议方Bob得到对方的密钥，双方结合对方的密钥和自己的密钥进行通信。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。