[发明专利]可扩展多用户量子密钥分配网络系统及其密钥分配方法

说明书

技术领域

本发明属于量子密钥分配技术领域，尤其是涉及一种可扩展多用户量子密钥分配网络系统及其密钥分配方法。

背景技术

量子密钥分配为异地合法通信双方提供绝对安全的随机序列，通常称之为量子密钥，量子密钥的安全性在理论上被证明是绝对安全的，即使量子计算机的问世也不对其构成威胁。这是由于单量子态作为信息载体来传递信息，通常称之为量子比特，这种量子比特的安全性由量子力学中的不确定性原理和未知量子态不可克隆定理保证。因此。这种绝对安全的量子密钥将首先应用于军事、国家安全等领域，并成为各国科学家角逐的新战场。

“点到点”之间的量子密钥分配技术已经得到了广泛的研究。随着网络技术地不断发展，量子密钥分配与经典通信网络系统相互融合成为了新的研究目标，同时多用户之间的量子密钥分配网络系统成为了目前的研究热点。量子密钥分配网络可为网络中的合法用户提供量子密钥。但是，由于量子比特的独特性，支持网络中量子密钥分配的路由技术与经典通信的实现方式是不同的，因此量子路由技术成为了量子密钥分配网络中的关键技术。

目前，根据量子密钥分配网络的路由特点将其分为三类：第一类，信任方为节点进行路由；第二类，光学器件为节点进行路由；第三类，量子中继器为节点进行路由。

其中，信任方为节点进行路由，实质上是利用成熟的“点到点”量子密钥分发装置作为基本链路，在节点处利用信任的中继方来进行“路由”而组成的量子密钥分发网络，在这样网络中，每对量子密钥在相邻两个节点之间进行独立分配。利用每个节点上生成的量子密钥对要发送的经典信息依次进行“加密-解密-加密-...-解密”操作。这样，利用多个“点到点”链路进行加密、解密方式来实现长距离的密钥传送。这类网络的优点是：信任方为节点构成的量子密钥分发网络在现有的技术条件下很容易实现远距离间的量子密钥分配，可服务于广域范围内。缺点是：网络系统的安全性依赖于节点处的可信赖度，即各个节点都是可信任的。这是因为传递的信息(密钥或者重要信息)会保留在任何一个节点的存储器中，这些信息可以被多次复制而不会被发现。随着传输距离的增加，节点的数目随之增多，安全及可靠的保障系数随之减小，因此这些对于绝对保密的通信体系来说是极为不利的方面。

另外，量子密钥分发网络其节点可以利用光学开关或波分复用器件或光分束器等来实现。①基于光开关或波分复用器的量子密钥分配网络系统，其优点：一，技术实现容易：这种量子密钥分发网络在目前技术条件下很容易实现；二，安全性好：量子信息在传递过程中不会被破坏，安全性好；三，用户功能性好：网络内任意两个用户之间都可以实现密钥分配。但是，其所存在的缺点在于：一，服务范围小：节点不具备中继放大功能，只能服务于城域或局域范围；二，网络容量扩展性差：网络的容量受到器件参数的限制，而且这两类光学器件存在较大的插入损耗，随着网络用户容量的增加，只能通过光学器件级联的方式进行扩展，因此插入损耗也随之增大，从而会缩短量子密钥分配传输距离，以及降低量子密钥的生成速率。②基于光分束器的量子密钥分发网络。其优点：一，技术实现容易：这种量子密钥分发网络在目前技术条件下很容易实现；二，安全性好：量子信息在传递过程中不会被破坏，安全性好。缺点：一，服务范围小：节点不具备中继放大功能，只能服务于城域或局域范围；二，用户功能差：网络内只能实现一点到多点之间的密钥分配；三，扩展性能差，网络的用户容量的扩展严重影响量子密钥的传输距离和分配速率。由于窃听者可以同时窃听分束器的所有端口，因此，发送方Alice发射出的平均光子数μ应等于η，η为Al i ce与每个接收端Bob之间的量子比特总传输效率(信道传输效率与探测效率之积)。经过1×n光分束器后，实际上Alice与每一个接收端Bob间的平均光子数为μ/n。随着用户的增加，n随之增大，安全的传输距离及密钥生成速率随之急剧减小。

对于基于量子纠缠特性的量子节点，其优点在于：一，服务范围广：量子节点具有中继放大功能，能够服务于局域、城域、广域范围内。二，安全性好：量子信息在传递过程中不会被破坏，安全性好；三，用户功能性好：网络内任意两个用户之间都可以实现密钥分配。缺点：技术实现目前存在困难。虽然原理性实验研究已经证明了其可行性，但是量子器件的实现依赖于现有的制作工艺和水平，在目前看来，具有纳米微结构的高精度量子元器件将可能建造高效的量子信息系统，也就是说，只有纳米技术的发展，才能保证成功研制的量子路由器具有需要的参数。然而，在现有的实验条件下，还无法实现。