(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202011295180.2
(22)申请日 2020.11.18
(71)申请人 中山大学
地址 511400 广东省广州市番禺区大学城
外环东路132号
申请人 清华大学
(72)发明人 孙仕海 龙桂鲁
(74)专利代理机构 广州华进联合专利商标代理
有限公司 44224
代理人 吴平
(51)Int.Cl.
H04L 9/08(2006.01)
H04B 10/70(2013.01)
(54)发明名称
储介质
(57)摘要
本申请涉及一种量子安全通信方法、装置、
计算机设备和存储介质。所述方法包括：发送方
道损耗和噪声抵抗处理，获得第一比特消息；随
机化第一比特消息，获得第一数据比特消息；在
第一数据比特消息中插入检验比特，获得传输比
特消息；将传输比特消息编码在发送方量子态的
基上，获得并发送编码后的传输比特消息。接收
方接收传输比特消息；根据接收方量子态的基对
接收到的传输比特消息中的各比特消息进行探
结果对应的探测位置和探测结果的消息类型；发
送探测结束信息，最终恢复发送方发送的原始消
息。采用本申请实施例方法能够有效提高量子通
信的安全性。权利要求书3页 说明书19页 附图8页CN 112600666 A 2021.04.02
C N 112600666
A
1.一种量子安全通信方法，所述方法包括：
获取待传输的原始消息；
对所述原始消息进行信道损耗和噪声抵抗处理，获得第一比特消息；
随机化所述第一比特消息，获得第一数据比特消息；
在所述第一数据比特消息中插入检验比特，获得传输比特消息；
将所述传输比特消息编码在发送方量子态的基上，获得并发送编码后的传输比特消息。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述原始消息进行信道损耗和噪声抵抗处理，获得第一比特消息，包括：
对所述原始消息进行映射处理，获得映射消息；
对所述映射消息进行扩展，获得第一比特消息。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述传输比特消息编码在发送方量子态的基上，获得并发送编码后的传输比特消息，包括：
以第一长度的随机数作为发送方量子态的基，将所述传输比特消息编码在所述发送方量子态的基上，获得编码后的传输比特消息；
将所述编码后的传输比特消息向接收方发送，所述第一长度为所述第一比特消息的长度与所述检验比特的长度之和。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获得并发送编码后的传输比特消息之后，还包括：
获取接收方发送的探测结束信息，所述探测结束信息包括接收方对接收到的传输比特消息中的各比特消息进行探测的探测结果、所述探测结果对应的探测位置和所述探测结果对应的消息类型。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述获取接收方发送的探测结束信息之后，还包括：
公布所述编码后的传输比特消息中各比特消息的信息类型，所述比特消息的信息类型为第一消息比特消息或者第一检验比特消息；
当所述比特消息的信息类型为第一检验比特消息，且所述比特消息对应的探测结果为探测响应时，公布所述比特消息的探测响应对应的脉冲发送位置；
保留所述比特消息的探测响应对应的脉冲发送位置对应的消息，丢弃所述比特消息的探测未响应对应的脉冲发送位置对应的消息，获得所述比特消息的有效消息；
获得第一有效比特消息，所述第一有效比特消息包括各所述比特消息的有效消息。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述获得第一有效比特消息之后，还包括：
公布所述第一有效比特消息中各比特消息；
获取接收方的第二有效比特消息中各比特消息；
比较所述第一有效比特消息中各比特消息和所述接收方的第二有效比特消息中各比特消息，计算第一信道误码率；
当所述第一信道误码率大于预设的阈值时，返回随机化所述第一比特消息的步骤；
当所述第一信道误码率小于所述预设的阈值时，则公布发送方量子态的基。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述当所述第一信道误码率小于所述预设的阈值时，则公开所述发送方量子态的基之后，还包括：
获取接收方公布的接收方量子态的基；
当所述发送方量子态的基与所述接收方量子态的基相同时，则保留所述第一有效比特消息，并公布所述随机化所述第一比特消息步骤中的随机化参数；
当所述发送方量子态的基与所述接收方量子态的基不同时，则丢弃所述第一有效比特消息。
8.一种量子安全通信方法，所述方法包括：
接收传输比特消息；
根据接收方量子态的基对接收到的所述传输比特消息中的各比特消息进行探测，获得接收到的各比特消息的探测结果、所述探测结果对应的探测位置和所述探测结果的消息类型，所述比特消息的探测结果的消息类型为第二数据比特消息或者第二检验比特消息；
发送探测结束信息，所述探测结束信息包括所述探测结果、所述探测结果对应的探测位置和所述探测结果对应的消息类型。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述根据接收方量子态的基对接收到的所述传输比特消息中的各比特消息进行探测，包括：
以第二长度的随机数作为接收方量子态的基，对接收到的所述传输比特消息中的各比特消息进行探测。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在所述发送探测结束信息之后，还包括：
公布接收到的传输比特消息中各比特消息的探测结果的消息类型；
当所述接收到的比特消息的探测结果的消息类型为第二检验比特消息时，且所述探测结果为探测响应时，公布所述接收到的比特消息的探测响应对应的脉冲接收位置；
保留所述接收到的比特消息的探测响应对应的脉冲接收位置对应的消息，丢弃所述接收到的比特消息的探测未响应对应的脉冲接收位置对应的消息，获得所述接收到的比特消息的有效消息；
获得第二有效比特消息，所述第二有效比特消息包括各所述接收到的比特消息的有效消息。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，当所述接收到的比特消息的探测结果的消息类型为第二检验比特消息时，且所述探测结果为探测响应时，公布所述接收到的比特消息的探测响应对应的脉冲接收位置，包括：
当所述接收到的比特消息的探测结果为探测响应，当所述探测响应对应的探测响应位置多于一个时，则随机选取一个探测响应位置公布；
当所述接收到的比特消息的探测结果为探测未响应，则随机选择一个探测未响应位置公布，并将公布的所述探测未响应位置随机赋值。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在所述获得第二有效比特消息之后，还包括：
公布所述第二有效比特消息中各比特消息；
获取发送方的第一有效比特消息中各比特消息；
比较所述第二有效比特消息中各比特消息和所述发送方的第一有效比特消息中各比
特消息，计算第二信道误码率；
当所述第二信道误码率大于预设的阈值时，则返回接收传输比特消息的步骤；
当所述第二信道误码率小于预设的阈值时，则公布接收方量子态的基。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，在所述当所述第二信道误码率小于预设的阈值时，则公布接收方量子态的基之后，还包括：
获取发送方公布的发送方量子态的基；
当所述接收方量子态的基与所述发送方量子态的基相同时，则保留所述第二有效比特消息；
当所述接收方量子态的基与所述发送方量子态的基不同时，则丢弃所述第二有效比特消息。
14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，在所述当所述接收方量子态的基与所述发送方量子态的基相同时，则保留所述第二有效比特消息之后，还包括：
获取发送方公布的随机化所述第一比特消息步骤中的随机化参数；
根据所述随机化参数对所述第二有效比特消息进行反随机化处理，恢复发送方发送的原始消息。
15.一种量子安全通信装置，其特征在于，所述装置包括：
消息获取模块，用于获取待传输的原始消息；
信道损耗和噪声抵抗处理模块，用于对所述原始消息进行信道损耗和噪声抵抗处理，获得第一比特消息；
随机化处理模块，用于随机化所述第一比特消息，获得第一数据比特消息；
传输比特消息获取模块，用于在所述第一数据比特消息中插入检验比特，获得传输比特消息；
消息发送模块，用于将所述传输比特消息编码在发送方量子态的基上，获得并发送编码后的传输比特消息。
16.一种量子安全通信装置，其特征在于，所述装置包括：
消息接收模块，用于接收传输比特消息；
探测模块，用于根据接收方量子态的基对接收到的所述传输比特消息中的各比特消息进行探测，获得接收到的各比特消息的探测结果、所述探测结果对应的探测位置和所述探测结果对应的消息类型，所述比特消息的探测结果的消息类型为第二数据比特消息或者第二检验比特消息；
信息发送模块，用于发送探测结束信息，所述探测结束信息包括所述探测结果、所述探测结果对应的探测位置和所述探测结果对应的消息类型。
17.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至14中任一项所述的方法的步骤。
18.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至14中任一项所述的方法的步骤。
量子安全通信方法、装置、计算机设备和存储介质技术领域
[0001]本申请涉及量子通信技术领域，特别是涉及一种量子安全通信方法、装置、计算机设备和存储介质。
背景技术
[0002]随着量子通信领域的发展，出现了量子保密通信技术，不同于现有的基于算法复杂度的经典保密通信，量子保密通信能够保证信息传递的无条件安全，其安全性由量子力学的基本原理来保证。根据量子保密通信实现结构的不同，量子保密通信协议可以分为两大类：一是基于量子密钥分发的量子保密通信，在该结构中，通信双方先利用量子态建立无条件安全的密钥，然后再结合经典加密算法实现信息的安全传递。二是基于量子态的量子安全通信，包括量子安全直接通信和确定性量子安全通信两种，在该结构中，发送方直接将消息加载在量子态上，然后通过一定的协议使得仅有接收方可以恢
复出发送方的消息，而窃听者无法得到任何信息。量子安全直接通信和确定性量子安全通信的区别在于，确定性量子安全通信中发送方需要传递一比特的经典信息以帮助接收方恢复信息，而量子安全直接通信则不需要经典信息的传递。相比与基于量子密钥分发的量子保密通信协议的两步通信过程，量子安全通信仅需一步即可完成信息加密传递，具有实现简单、无需密钥管理和存储等优点。
[0003]为了保证通信信息的安全，现有的量子安全直接通信都是基于双向协议来实现，即接收方先发送量子态给发送方，然后发送方随机的选取部分量子态进行测量，从而验证信道特征和窃听者的信息量，并在剩余的量子态上调制需要传递的信息，然后再将量子态返回给接收方，从而实现信息的传递。但是，在基于双向协议的量子安全直接通信系统中，光量子信号往返信道两次，因此损耗会增加一倍。同时，由于发送方需要接收来自信道的光子脉冲并进行编码，因此容易遭受特洛伊木马攻击等量子黑客的攻击，影响其实际安全性，而且在实际应用中，量子安全通信设备非完美性也会对其安全性产生一定影响。
[0004]而现有的确定性量子安全通信虽然存在单向的通信协议，但需要高维单光子量子态制备、量子纠缠以及量子存储等量子器件，这在当前技术条件下尚无法有效实现，特别是无法满足长距离、高码率的通信要求。同时，实际设备的缺陷也会导致响应的量子黑客攻击，从而影响确定性量子安全通信的安全性。这也是制约确定性量子安全通信应用的核心瓶颈。
发明内容
[0005]基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够有效提高量子通信安全性的量子安全通信方法、装置、计算机设备和存储介质。
[0006]第一方面，提供了一种量子安全通信方法，所述方法包括：
[0007]获取待传输的原始消息；
[0008]对所述原始消息进行信道损耗和噪声抵抗处理，获得第一比特消息；
说 明 书
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