[发明专利]基于环式结构的多方量子密钥协商协议

摘要

本发明公开了一种基于环式结构的多方量子密钥协商(MQKA)协议，每个参与者制备单光子序列发送给各自的下一个参与者；该参与者通过幺正操作编码生成新序列发送给其下一个参与者；直至每一个参与者都收到自己最初制备的单光子序列；每个参与者P_i(i＝1,2,...,n)通过执行幺正操作来抵消其它n‑1个参与者作用在序列S_{i(i+1)...(i‑1)}中每个光子上的控制操作；随后利用相应的测量基对执行了抵消操作的光子进行测量，然后从测量结果中提取出比特串，最终利用比特串进行窃听检测并推断出最终密钥。本发明提出了一个能够同时保证密钥安全性和公平性的基于环式结构的MQKA协议。由于整个协议过程中只需要进行一次检测窃听，从而显著提高了此类协议的量子比特效率。

主权项

1.一种基于环式结构的多方量子密钥协商方法，其特征在于：参与者协商密钥的步骤如下：步骤一、每个参与者制备单光子序列发送给各自的下一个参与者：(1)参与者P_i制备一串由m个单光子态组成的有序序列S_i，其中S_i中的每一个光子都随机地处于{|0>,|1>,|+>,|‑>}四个状态之一，其中(2)P_i将制备好的单光子序列S_i发送给下一个参与者；步骤二、每当接收到前一个参与者发送给自己的单光子序列后，该参与者利用幺正操作编码生成新序列发送给其下一个参与者：(1)P_i+1将自己的子密钥序列K_i+1和控制序列C_(i+1)i编码到S_i上：设S_i的第j个光子为如果K_i+1和C_(i+1)i的第j个光子是00/10/01/11，则P_i+1在上执行幺正操作其中p是一个小于n的素数，且操作F和作用到单光子态|0>、|1>、|+>和|‑>上的效果如下：F|0>＝|1>,F|1>＝‑|0>,F|+>＝‑|‑>,F|‑>＝|+>,当P_i+1对S_i中的所有光子都执行了相应的幺正操作以后，得到新的光子序列S_i(i+1)，并将S_i(i+1)发送给P_i+2；步骤三、重复步骤二的操作，直至每一个参与者都收到自己最初在步骤一中制备的单光子序列；至此，每一个参与者都公开自己的n‑1串控制比特序列；步骤四、每个参与者P_i(i＝1,2,...,n)通过执行幺正操作来抵消其它n‑1个参与者作用在序列S_{i(i+1)...(i‑1)}中每个光子上的控制操作；随后利用相应的测量基对执行了抵消操作的单光子态进行测量，然后从测量结果中提取出比特串；参与者利用该比特串中的部分比特值进行窃听检测，若不存在窃听，则利用剩余的比特值推断出最终密钥并利用从全局哈希函数簇中随机选取的哈希函数验证各参与者手中的最终密钥是否相等，其中：A)每个参与者P_i(i＝1,2,...,n)提取用于检测窃听和生成最终密钥的比特串的方法为：(1)参与者P_i(i＝1,2,...,n)通过执行幺正操作来抵消其它n‑1个参与者作用在序列S_{i(i+1)...(i‑1)}中每个光子上的控制操作；(2)执行完所有的抵消操作以后，P_i(i＝1,2,...,n)对S_{i(i+1)...(i‑1)}中的每一个光子进行测量：如果该光子的初始状态为|0>或|1>，则使用Z＝{|0>,|1>}基测量；如果该光子的初始状态为|+>或|‑>，则使用X＝{|+>,|‑>}基测量；(3)如果S_{i(i+1)...(i‑1)}的第j个光子的测量结果和该光子的初始状态相同，则比特串的第j位的值为0；如果第j个光子的测量结果和该光子的初始状态相反，则的第j位的值为1；然后P_i利用计算得到比特串B)每个参与者P_i(i＝1,2,...,n)利用比特串检测窃听和生成最终密钥的方法为：(1)所有n个参与者共同从根据测量结果提取出的比特串中选取δ个位置进行窃听检测，具体方法为：参与者P₁从中选取选择个位置并公开这些位置的比特值，同时要求其它n‑1个参与者公布自己手中比特串中相应位置的比特值用于比对；参与者P₂从中剩余的个位置中随机选择个位置并公开这些位置的比特值，同时要求其它n‑1个参与者公布自己手中比特串中相应位置的比特值用于比对；依次按照这种方式，参与者P_i(i＝3,...,n‑1)从中剩余的个位置中随机选择个位置并公开这些位置的比特值，同时要求其它n‑1个参与者公布自己手中比特串中相应位置的比特值用于比对；参与者P_n从中剩余的个位置中随机选择个位置并公开这些位置的比特值，同时要求其它n‑1个参与者公布自己手中比特串中相应位置的比特值用于比对；最后，所有参与者根据他们合作选出的这δ个位置的比对结果计算误码率，并根据计算所得误码率判断是否存在窃听；(2)如果不存在窃听，则每个参与者P_i(i＝1,2,...,n)丢弃比特串中已经用于检测窃听的δ个位置，剩余的n‑δ个位置上的比特值就构成了其手中的最终密钥