[发明专利]一种用于量子密钥分配请求控制与自动实现的模型和方法

说明书

技术领域

本发明涉及基于信任中继的量子密钥分配网络领域，是为实现网络中任意两个节点之间密钥分配的请求控制与自动实现而设计的模型和方法。

背景技术

量子密钥分配网络是基于量子力学的基本原理，在任意节点之间分配密钥的网络。

在叙述量子密钥分配网络之前，先以最为主流的BB84协议为例简单描述点对点的量子密钥分配。该协议总共用到4个量子态，且构成两组正交基，每组正交基同时也是一组测量基。处于不同测量基中的量子态是非正交的，用不同组的测量基去测量一个量子态，结果是不确定的，且概率分别为50％；只有用同组的测量基去测量量子态才能得到正确结果。具体的通信过程是这样的：密钥的发送者从4个量子态中随机选择一个，并且通过量子信道发送给接收者，接收者随机选择一个测量基来测量，并且得到一个结果，双方记录自己的选择和测量结果，并通过公开信道相互比对，删除那些选错了测量基的结果。如果有需要，在最后剩余的随机序列经过“保密放大”等步骤后，便可以在发送者和接收者之间建立起最终的密钥。但由于技术条件的限制，目前点对点密钥分配的速度和距离有限。在实验室环境中，相隔100公里的两点之间密钥分配的最高速率只有10kb/s左右，而且随着距离的增加会急剧下降。

量子密钥分配网络便是以这种点对点的量子密钥分配为基础，在多个用户之间分配密钥的网络。依据中间节点的不同类型，可将量子密钥分配网络分为三种：光学节点网络、量子中继网络和信任中继网络。

基于光学节点的量子密钥分配网络主要是在网络中利用分束器，干涉环、光开关等光器件来改变单光子的传输方向，这是根据经典光学的特性对量子信息进行路由。这种类型的量子密钥分配网络方法较为成熟，在目前技术条件下易于实现，但是光学器件等光学节点的引入使得插入损耗大大增加，因而量子信息安全传输的距离缩短；同时当节点用户数量增加时，整个网络分配密钥的速度便会降低。所以这种类型的量子密钥分配并不适合长距离的广域网使用。

基于量子中继的量子密钥分配网络的实现思想是：把传输通道分为若干段，在每一段制备纠缠对，并发送到分段的两端，再对这些纠缠对进行钝化，通过相邻之间的纠缠交换，把提纯后的纠缠对的距离分布得更远。这种类型的中继网络可以实现长距离、多用户的密钥分配。但是该网络所需的关键技术如量子中继器并不成熟，离真正实现还有一定距离。

信任中继网络是由若干个节点和连接各个节点的链路按照一定的拓扑结构组成。节点之间靠经典信道和量子信道连接。量子信道用于在两点之间传输单光子；经典信道用于对基、身份验证以及传输信令、加密密钥等。如图1所示，当网络中的两个主机Alice和Bob要进行密钥K的分配时，由于传输距离的限制，并不能在两点之间直接分配密钥，需要依靠中间信任节点的接力传递。这种需要有信任中继节点的配合才能传递的密钥K也称为全局密钥。首先，在Alice和节点1之间建立共享量子密钥K1，节点1和节点2之间共享量子密钥K2，节点2和Bob之间共享量子密钥K3。Alice利用与节点1共享的量子密钥K1对要发送的全局密钥K加密，然后通过经典信道发送给节点1，节点1用K1对信息解密后获得K，并将K用K2加密发给节点2，节点2使用密钥K2解密获得K后，再用K3加密K发给Bob，Bob用K3对信息解密后获得最后的密钥K。这样就完成了在Alice和Bob之间全局密钥的分配。为保证全局密钥传递的安全性，每一次对K加密采用的量子密钥都是与K等长度的，且采用“一次一密”的加密方式。假设中间节点的安全性可以得到保证，这种基于信任中继的量子密钥分配网络就可以在理论上实现远距离，多用户的密钥分配。因此信任中继网络是一种较为容易实现的未来理想量子密钥分配网络方案。

目前在基于信任中继的量子密钥分配网络中，如何实现密钥分配的请求控制和密钥的自动分配是一个尚待解决的问题。本发明提出一种用于量子密钥分配的请求控制与自动实现的分层模型，并设计该模型中的各个模块，给出实现密钥自动分配的具体方法。

发明内容

本发明结合当前的技术条件和背景，针对基于信任中继的量子密钥分配网络，提出一种为达到密钥分配的请求控制和自动实现而设计的模型，设计不同层中应用的功能模块，并详细描述实现方法，旨在实现网络中的任意两个节点之间密钥的自动分配。

本发明主要内容如下：