[发明专利]一种基于树形QKD网络的量子密钥分发方法及系统

说明书

本发明涉及一种基于树形QKD网络的量子密钥分发方法及系统，在树形网络中，当源节点与目的节点的父节点为同一节点，若父节点为不可信节点，源节点和目的节点将父节点作为MDI‑QKD探测器生成密钥，若父节点为可信节点，直接通过异或中继进行共享密钥的传递；当源节点与目的节点的父节点不是同一节点，且传输路径中存在不连续出现的非可信中继节点时，将非可信节点作为MDI‑QKD探测器生成密钥，再通过异或中继方法进行共享密钥的传递。本发明可以实现树形网络在部分节点可信的情况下任意两点之间的量子密钥分发，有效降低了量子密钥分发网络的建设及部署成本。

技术领域

本发明涉及量子通信技术领域，特别是一种基于树形QKD网络的量子密钥分发方法及系统。

背景技术

目前，商用的量子保密通信系统主要基于量子密钥分发（Quantum KeyDistribution，QKD）技术实现。基于量子力学原理，QKD能够在通信双方之间安全地分发共享的随机数序列（可作为对称密钥用于加解密、消息认证等功能），且攻击者无法在公共信道上进行窃听。量子密钥分发不同于经典密码学，其安全性并不依赖于数学算法的计算复杂度，而是建立在量子物理学的基本定律之上，能够提供独特的长期安全性保障。

根据QKD系统的组成结构和技术原理，如果QKD系统的实现完全满足协议的设计，那么QKD系统在原理上可以保证单独对量子信道进行攻击是无效的。如果QKD系统的实现不符合理论设计，那么将带来密钥泄露的风险。必须保证：（1）QKD系统在经典信道上传输的数据不可被篡改；（2）QKD系统终端必须可信。类似总线拓扑的树型量子网络拓扑由于其易于扩展性而在现实场景中广泛应用，但是树型拓扑的根节点被窃听时整个量子网络的安全性将受到极大的威胁。

测量设备无关量子密钥分发（Measurement-Device-Independent Quantum KeyDistribution，MDI-QKD）可以免疫探测器通道攻击，在节点间设置一个探测装置，对发送方发送过来的光子进行Bell态测量，然后经过相应的数据后处理系统得到安全密钥。但是由于MDI-QKD的性能受距离限制，所有在实际中的应用也难以推广。

在现实树型网络中，只有部分节点是可信的，由于非可信中继节点的存在，可信中继技术无法独立实现安全量子密钥分发。因此，在可信中继节点和非可信中继共存场景下如何实现任意两点的量子密钥分发是一个亟待解决的问题。

树型拓扑类似于由多级的星型结构共同组成的组合网络拓扑，而这种多级星型结构由上往下节点数越来越多。树型结构采用分级的集中控制方式，由每个父节点管理其多个子节点，其传输介质可以由很多分支并且每条通信线路支持双向传输，但是这些分支并不会形成闭合回路。因此，树型拓扑具有以下优点：（1）易于扩展；（2）易于故障隔离。树型拓扑结构可以延展很多分支和子分支，这些新节点和新分支都容易加入到网中。量子网络的扩建十分复杂，而采用树型量子网络拓扑则可以良好地解决新的量子节点难以加入的问题。然而，树型拓扑的各个节点对根节点依赖性强，树型量子网络的根节点如果被攻击者窃听，那么就会有很大一部分甚至整个网络的安全都受到威胁。因此，将树型拓扑应用到量子网络所面临的最大的问题正是不可信节点可能会引起难以承担的安全威胁。