[发明专利]用于量子增强物理层安全性的自由空间密钥分配装置和方法

权利要求书

1.一种自由空间密钥分发方法，包括基于物理层窃听信道模型在发射器(100)和接收器(200)之间交换信息，所述方法包括以下步骤：

在发射器(100)处随机准备(710)以两个可能的不同量子态之一编码的一个量子比特，

通过物理层量子增强窃听信道(500)将编码的量子比特发送(720)到接收器(200)，

检测和测量(730)所接收的量子态，

通过经典信道在发射器和接收器之间进行密钥筛选(740)，

基于检测和接收的量子态来计算(760)可用于任何窃听器(300)的信息量，

其特征在于，所述自由空间密钥分发方法包括进一步的窃听器可获得信息确定步骤，首先定义对应于接收器(200)的表面的收集区域S_CZ(650)、对应于接收器(200)能够假定没有窃听器能够获得通过物理层量子增强窃听信道(500)传输的信号的区域的安全区S_SZ(400)、对应于由光束覆盖的总面积的照射区域S_IZ(600)和窃听器可能位于的不安全区域S_{Insecure Zone}(670)，其中窃听器可获得的量子态的平均数由以下公式限定：

其中

是窃听器可能拦截的光子的平均数，

t_QC是量子信道传输系数，而且

是发射的光子的平均数。

2.根据权利要求1所述的自由空间密钥分发方法，其特征在于，所述两个可能的不同量子态由单光子组成，使得任何窃听器都不能获得在发射器(100)和接收器(200)之间交换的信息。

3.根据权利要求2所述的自由空间密钥分发方法，其特征在于，每个单光子通过无模糊态判别USD测量来检测，并用于秘密密钥生成步骤(770)。

4.根据权利要求1所述的自由空间密钥分发方法，其特征在于，所述两个可能的不同量子态由多个光子的相干态组成。

5.根据权利要求1所述的自由空间密钥分发方法，其特征在于还包括：不安全区域(670)表面限定步骤，该步骤基于窃听器(300)收集由发射器(100)发射的每个相干态的至少一个光子的概率，所述概率由以下公式给出：

使得对窃听器可用的信息受到以下限制：

其中通过所述不安全区域(670)表面限定步骤并且通过调整由发射器(100)发射的相干态的强度来定义所述信息。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的自由空间密钥分发方法，其特征在于，所述计算步骤(760)包括由所述发射器(100)的提取引擎(120)和所述接收器(200)的提取引擎(220)执行的纠错步骤。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的自由空间密钥分发方法，其特征在于，所述密钥筛选(740)包括所述接收器(200)的提取引擎(220)向所述发射器(100)的提取引擎(120)通告检测时隙并排除未检测到量子态的时隙。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的自由空间密钥分发方法，其特征在于，所述两个可能的不同量子态是非正交的。

9.根据权利要求1至5中任一项所述的自由空间密钥分发方法，其特征在于，所述计算步骤(760)之后是私密性放大步骤(770)，其通过丢弃在纠错步骤期间已经揭示的比特，生成发射器(100)和接收器(200)之间的公共密钥(130)。

10.根据权利要求1至5中任一项所述的自由空间密钥分发方法，其特征在于，在量子比特准备步骤(710)之前还包括同步步骤(700)。