[发明专利]一种基于量子随机数的量子密钥分发系统及方法

说明书

本发明公开了一种基于量子随机数的量子密钥分发系统及方法，属于量子通信技术领域，本发明在现有Faraday‑Michelson干涉仪的量子密钥分发系统的基础上，使用光开关进行光路控制，并使用随机数生成模块生成随机比特串，构建基于量子随机数的量子密钥分发系统。相比于传统F‑M系统，本发明不仅仅可以用于长距离的光量子通信，并且具有强大的抗干扰能力，还能有效地避免随机数泄露所导致的安全问题，为智能电网的安全运作提供了进一步保障。

技术领域

本发明公开了一种基于量子随机数的量子密钥分发系统及方法，属于量子保密通信技术领域。

背景技术

量子保密通信技术以其特有的密钥安全分发机制迅速发展，并逐步走向商用。量子保密通信的绝对安全性在原理上被严格证明，可以解决数据加密传输的安全性问题。相较经典通信方式，量子保密通信不可破解，任何企图窃取信息的操作都会被立刻发现，量子保密通信将在社会各领域大规模应用保障信息传输的安全。量子保密通信是将量子技术与现有信息保密体系结合，极大提高了数据保护的安全级别，有效保障了信息的安全传送。

根据经典信息论，采用“一次一密”的对称加密方案，可以实现绝对的通信安全性，即使量子计算机也无法对其产生威胁。该方案要求通信双方在通信前进行密钥分发，经典密钥分发难以保证密钥的安全性，而量子密钥分发(Quantum Key Distribution,QKD)则具有无条件的安全性，这种安全性依赖于量子力学的基本原理。著名的QKD协议有BB84协议、B92协议等。这些协议都含有随机选取测量基的步骤，因此在协议过程中必然涉及随机数生成的环节。

随机数的生成必须满足不可预测性，而经典力学无法保证这一特性。在经典计算中，随机数是由特定的生成算法和随机种子来产生的，一旦算法流程和随机种子被确定，其生成的数值也可被确定。因此，经典的随机数从理论上是可以预测的，这会在一些应用中产生安全隐患。例如在BB84协议中，窃听者如果获得了发送者产生的随机数，将能够在不被发现的情况下获取完整的密钥信息。量子力学具有内在的随机性，利用量子随机性来产生随机数的设备称为量子随机数发生器(Quantum Random Number Generator,QRNG)，相比与经典的随机数发生器，其具有物理上的不可预测性。目前的QRNG实现方案主要依赖于光学系统，如基于光子计数、基于光子到达时间、基于光子到达位置等。

发明内容

本发明提出一种基于量子随机数的量子密钥分发系及方法，该系统是对F-M系统的改进，在随机数生成方面有着更高的安全性。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种基于量子随机数的量子密钥分发系统，包括：F-M系统和随机数生成模块；

所述随机数生成模块用于生成随机比特串；

所述F-M系统用于采用所述随机比特串对激光光源进行量子态调制生成量子密钥并分发；

所述F-M系统包括激光二极管，光衰减器，耦合器C1和耦合器C2；

所述激光二极管的输出端设光开关S1，光衰减器的输入端设端口P1，耦合器C1的输入端设端口P2，光衰减器的输出端设光开关S2，耦合器C2的输入端设端口P3；

所述随机数生成模块的输入端设端口P4；

所述量子密钥分发系统在随机数生成阶段，光开关S1与端口P1连通，光开关S2与端口P4连通；

所述量子密钥分发系统在密钥分发阶段，光开关S1与端口P2连通，光开关S2与端口P3连通。

进一步的，所述F-M系统还包括发送方主控模块，接收方主控模块，旋转镜FM1，旋转镜FM2，旋转镜FM3，旋转镜FM4，相位调制器PMa，相位调制器PMb和单光子雪崩二极管；

所述激光二极管用于输出连续的激光；