[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

说明书

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，该方法包括以下步骤：在发射器(100)处随机地准备(710)利用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)，使得窃听所述信道的窃听器(300)仅被提供有关于所述量子态的部分信息；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计算任何窃听器(300)可用的信息量。

技术领域

本发明涉及自由空间光通信，更具体地涉及使用自由空间光量子信道的通信的安全性及其相关方法。

背景技术

自由空间光通信(FSO)是一种光通信技术，其利用自由空间中传播的光来为电信或计算机网络无线传输数据。

“自由空间”是指光以直线传播的空气、外太空、真空或类似的东西。

这不同于引导的光学器件，诸如光纤或更一般地光波导(其中光由波导引导和导向)。自由空间技术在物理连接由于高成本或其他考虑而不切实际的情况下非常有用。

像任何其他类型的通信一样，自由空间光通信需要安全性来防止窃听。当研究自由空间光通信的不同安全手段时，可以看到已经研究了几种解决方案，以便提供一种使发射器和接收器能够通过FSO共享秘密信息的解决方案。常见的解决方案是基于通过FSO信道交换秘密密钥。在交换之后，这些密钥用于以安全的方式(例如通过加密)交换消息。

通常，在FSO密钥交换中，可以考虑两种窃听方案。两者都在图1中示出。

在第一场景中，Eve1 300位于发射器100和接收器200之间的光路上；因此Eve1300可以截取光信号并且将可能修改的光信号重新发送到接收器200。这称作主动场景。在第二种情况下，Eve2 305受限于提取从发射器100向接收器200发送的一部分光信号的能力。在这种情况下，窃听器(Eve2 305)不能向接收器200重发任何光信号。这称作被动场景。请注意，限制窃听器活动的主动和被动场景之间的区别只能在物理层进行。被动场景中的通信信道被称为窃听信道，由Wyner首次引入。然而，窃听信道的概念后来被Czisar和Korner扩展到更抽象的层面。在他们的情况下，窃听信道是一个抽象模型，包括任何三方信道(发射器、接收器和窃听器)，对窃听器没有限制。在这个抽象模型中，窃听信道包括两个独立的信道，一个在发射器和接收器之间，一个在发射器和Eve之间。这个模型再次被扩展到量子窃听信道，其中通信信道传输量子态(参考：Igor Devetak，Quantum privacy andquantum wiretap channels，Cai，N.，Winter，A.Yeung，R.W，Quantum Information：AnIntroduction Par Masahito Hayashi)。在抽象层面上的这些模型都不对Eve的能力做任何假设，因此涵盖被动和主动的场景。在下文中，由于我们的目标是区分主动和被动场景，我们将采用原始的Wyner术语，其中窃听信道是物理通信信道，其将Eve的能力限于被动窃听的能力。

在过去的几十年中，为了克服这两种情况下的窃听，已经开发了解决方案。

QKD是允许在主动场景中交换秘密密钥的防议。在QKD协议中，两个用户之间的通信信道被称为量子信道。量子信道是一种通信信道，以保存其量子特性的方式传输量子粒子，通常是光子。有两组参数用于量子编码。一个是光子的极化，另一个是相位，需要使用干涉仪。取决于量子信道的物理层和QKD协议的类型，两者都有其优点和缺点。

QKD背后的基本思想是允许窃听器截取信号并以任何与量子力学兼容的方式进行处理。尽管如此，被称为发射器和接收器的合法用户仍然可以交换安全密钥。

最为人熟知的QKD协议是基于四个不同的量子态的BB84协议，在BennettBrassard，1984中有所解释。其他几个协议已经被发明，例如：