一种量子密钥分发方法、系统、设备及介质与流程

本发明涉及量子密钥分发，尤其涉及一种量子密钥分发方法、系统、设备及介质。

背景技术：

1、泡利信道是最普遍使用的信道模型，能够有效计算一般泡利信道量子容量的逼近值和信道传输量子信息的噪声容限。在真实传输过程中，传输环境中存在噪声，而泡利信道是具有一定代表性的噪声模型。在以往的基于泡利信道下的量子密钥分发中，信息的承载通常通过量子比特基态方式来实现，因为存在噪声对于量子密钥分发过程中的影响，而导致信息传输的安全性低、可靠性低，从而导致最终的成码率低。

技术实现思路

1、本发明提供了一种量子密钥分发方法、系统、设备及介质，以解决量子密钥分发时存在噪声而导致信息传输不可靠的技术问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种量子密钥分发方法，包括：

3、基于泡利信道发送第一状态至接收方，使接收方收到所述第一状态，并随机使用三种期望测量基中的任一种对所述第一状态进行期望测量以得到期望测量结果，其中，所述第一状态包括信息态和伪装态；

4、发送预设轮次后，基于泡利信道发送伪装信息至接收方，其中，所述伪装信息包括发送所述信息态的轮次和所述伪装态处于所述第一状态中的位置，所述伪装信息用于指示所述接收方基于所述信息态的轮次和所述伪装态处于所述第一状态中的位置发送所述期望测量结果和随机使用的期望测量基；

5、基于泡利信道接收来自接收方的所述期望测量结果和随机使用的期望测量基，若根据所述期望测量结果和随机使用的期望测量基判断不存在窃听者，则发送第二状态至接收方，使接收方基于接收的第二状态还原无噪情况下期望值，进行密钥分发，其中，所述第二状态包括所述信息态。

6、这样，作为发送方，用测量的期望不变量来承载信息，能够使量子态安全高效的在泡利信道下传输，并对测量基下的期望值进行译码生成密钥，可以降低在量子密钥分发过程中噪声的影响，即实现了量子密钥的成码率不受噪声影响的效果。

7、作为优选方案，所述方法还包括：若根据所述期望测量结果和随机使用的期望测量基判断存在窃听者，则结束量子密钥分发。

8、这样，在第一状态中穿插伪装态的意义就是侦测是否有窃听，若有的话，重新回到一开始的步骤进行多轮次的第一状态的发送，以保证信息传输的安全性。

9、本发明实施例提供了一种量子密钥分发方法，用于接收方，包括：

10、基于泡利信道接收发送方的第一状态，并随机使用三种期望测量基中的任一种对所述第一状态进行期望测量以得到期望测量结果，其中，所述第一状态包括信息态和伪装态；

11、接收预设轮次后，基于泡利信道接收伪装信息并发送所述期望测量结果和随机使用的期望测量基至发送方，其中，所述伪装信息包括发送所述信息态的轮次和所述伪装态处于所述第一状态中的位置；

12、若基于泡利信道使得发送方根据所述期望测量结果和随机使用的期望测量基判断不存在窃听者，则基于接收的第二状态，还原无噪情况下期望值，进行密钥分发，其中，所述第二状态包括所述信息态。

13、这样，作为接收方，与所述发送方的操作步骤相对应，用测量的期望不变量来承载信息，能够使量子态安全高效的在泡利信道下传输，并对测量基下的期望值进行译码生成密钥，可以降低在量子密钥分发过程中噪声的影响，即实现了量子密钥的成码率不受噪声影响的效果。

14、作为优选方案，所述进行密钥分发，具体为：

15、对还原的无噪情况下的期望值基于译码规则表进行译码，并根据译码结果进行密钥分发。

16、作为优选方案，所述译码规则表包括第一译码规则表和第二译码规则表；

17、所述对还原的无噪情况下的期望值基于译码规则表进行译码，具体为：

18、在信道稳定情况下，基于第一译码规则表对还原的无噪情况下的期望值进行译码，其中，所述第一译码规则表是基于对所述期望值进行第一划分而得到；

19、在信道非稳情况下，基于第二译码规则表对还原的无噪情况下的期望值进行译码，其中，所述第二译码规则表是基于对所述期望值进行第二划分而得到。

20、这样，信道非稳情况下，对于期望值的划分是根据正负划分的，且能够以八进制进行密钥传输，在信道稳定情况下，对于期望值的划分程度则更细，使得量子态能够携带更大的信息，即1个量子比特可以加载经典密钥信息的位数更多。

21、作为优选方案，所述基于接收的第二状态，还原无噪情况下期望值，具体为：

22、通过下式计算基于接收的第二状态还原的无噪情况下期望值，计算式为：

23、

24、式中，是一个与量子态无关的，和测量基以及信道模型相关的正系数，取值范围为（0,1]，是量子态密度矩阵，是无噪情况下期望值，是噪声情况下期望值。

25、这样，在泡利信道中，以x、y和z三个测量基对量子态进行测量时，其期望值与无噪情况下期望值相差一个正系数，在此基础上，利用期望不变量来承载信息，进行信息传输，能够克服泡利信道中噪声的影响，降低噪声对于成码率的影响，且所述正系数与量子态无关，和选择的测量基以及信道模型相关。

26、作为优选方案，所述随机使用三种期望测量基中的任一种对所述第一状态进行期望测量以得到期望测量结果，具体为：

27、使用泡利x算符对第一状态进行期望测量以得到期望测量结果，计算式为：

28、

29、

30、使用泡利y算符对第一状态进行期望测量以得到期望测量结果，计算式为：

31、

32、

33、使用泡利z算符对第一状态进行期望测量以得到期望测量结果，计算式为：

34、

35、

36、式中，是演化后的量子态，是量子态密度矩阵，是量子态密度矩阵的系数，使用不同的算符，其系数也对应变化，是泡利算符，z是z算符的混态元素，是使用泡利z算符对z混态表达式中的z项进行期望测量的结果。

37、这样，在泡利信道中，可以随机使用x、y和z三个测量基对量子态进行测量，三个测量基在噪声情况下期望值与无噪情况下期望值相差一个正系数，用期望不变量来对信息进行承载，降低了噪声在密钥分发时的影响。

38、本发明实施例还提供了一种量子密钥分发系统，包括发送模块、伪装模块和分发模块；

39、其中，所述发送模块，用于基于泡利信道发送第一状态至接收方，使接收方收到所述第一状态，并随机使用三种期望测量基中的任一种对所述第一状态进行期望测量以得到期望测量结果，其中，所述第一状态包括信息态和伪装态；

40、所述伪装模块，用于发送预设轮次后，基于泡利信道发送伪装信息至接收方，其中，所述伪装信息包括发送所述信息态的轮次和所述伪装态处于所述第一状态中的位置，所述伪装信息用于指示所述接收方基于所述信息态的轮次和所述伪装态处于所述第一状态中的位置发送所述期望测量结果和随机使用的期望测量基；

41、所述分发模块，用于基于泡利信道接收来自接收方的所述期望测量结果和随机使用的期望测量基，若根据所述期望测量结果和随机使用的期望测量基判断不存在窃听者，则发送第二状态至接收方，使接收方基于接收的第二状态还原无噪情况下期望值，进行密钥分发，其中，所述第二状态包括所述信息态。

42、本发明实施例还提供了一种终端设备，包括存储器和处理器，所述存储器和所述处理器之间互相通信连接，所述存储器存储有计算机指令，所述处理器通过执行所述计算机指令，从而执行如上述一种量子密钥分发方法。

43、本发明实施例还提供了一种存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被计算机调用并执行，实现如上述一种量子密钥分发方法。

44、相比于现有技术，本发明实施例具有如下有益效果：

45、提供了一种量子密钥分发方法，量子密钥分发通常具有较高的安全性，而本发明利用量子态的期望不变量承载信息来进行信息传输，克服了现有技术在泡利信道中存在的噪声对于量子密钥分发的影响，保证了成码率不受噪声影响，使得量子态能够安全高效的在泡利信道下传输，且能够进一步增强密钥分发的安全性，使得窃听者无法得到接收方观测基的信息，从而无法窃听信息，同时，考虑了信道稳定和信道非稳这样两种不同的情况，并且能够以八进制传输信息，信息传输效率更高。