用于量子密碼通信的方法和設備的制造方法
【專利摘要】提供了用于量子密碼通信的方法和設備。用于量子密碼通信的設備包括：光源，該光源被配置成生成被傳輸至多個量子編碼發送裝置的光脈沖；以及量子糾纏測量單元，該量子糾纏測量單元被配置成接收從該多個量子編碼發送裝置中的每個量子編碼發送裝置生成的光信號并且測量從該多個量子編碼發送裝置接收的光信號的量子態之間的關系，該光信號是通過將密鑰編碼至光脈沖的量子態來生成的。用于量子密碼通信的設備還可以包括信號方向確定單元。量子編碼發送裝置可包括用于對光脈沖或光信號進行反射的反射器、任意相位調整器、或用于將與密鑰對應的數字信號編碼至光脈沖的調制器。
【專利說明】
用于量子密碼通信的方法和設備
技術領域
[0001]實施例涉及用于量子密碼通信的方法和設備，更具體地，涉及用于與測量裝置無關地分發安全密鑰的技術。
[0002][關于國家研究和開發支持的描述]
[0003]此研究在韓國科學技術學會的監督下由大韓民國的科學、ICT(信息通信技術)和未來規劃部的信息通信技術R&D(研究和開發)計劃(項目編號:2014-044-014-002)所支持。
【背景技術】
[0004]近年來，隨著通信安全由于大規模個人信息泄漏而成為問題，對安全密碼系統的需求日益增加。通常，密碼系統不使用物理現象，而使用降低黑客攻擊的可能性的數學難題。因此，仍然存在從外部攻擊密碼系統并且分析加密信息的可能性。
[0005]同時，量子密碼是基于其中表現量子效應的單個光子不能被再現的量子力學的不確定性而開發的密碼系統。通信主體通過使用量子來對經由使用密鑰的信息進行加密或解密來安全地共享相同的安全密鑰。理論上，如果試圖從外部攻擊，則光子的特性改變，并且因此不能從外部獲得原始安全密鑰或信息，從而確保免受黑客攻擊的密碼系統。
[0006]然而，實際上，由于用于量子密碼系統的測量裝置的缺陷或者不完善性，所以黑客攻擊是有可能發生的。因此，已經開展了關于能夠與測量裝置無關地分發安全密鑰的獨立于測量裝置的量子密鑰分發系統(MDI QKD, measurement-device-1ndependent quantumkey distribut1n system)的石開究。
[0007]圖1是示意性地示出獨立于測量裝置的量子密碼系統的框圖。參考圖1，第一量子編碼發送裝置(Alice) 110和第二量子編碼發送裝置(Bob) 120分別包括光源101和光源102，并且將從光源101、光源102生成的光脈沖轉換為具有信息的光信號并且通過量子信道104將該光信號傳輸至量子密碼通信設備(Charlie) 100。之后，量子糾纏測量單元(quantum entanglement measuring unit) 103通過使用量子糾纏基來測量多個所接收光信號之間的關系并且將共有信息分發到量子編碼發送裝置110、量子編碼發送裝置120 二者以確保與測量裝置無關的安全密鑰分發系統。
[0008]然而，在現有的獨立于測量裝置的量子密碼系統中，多個量子編碼發送裝置110、120的光源101、光源102應當完全一致以致不被區分開，并且需要用于測量從光源101、光源102生成的光信號的屬性的差異并且反饋一致的屬性的裝置(或者主動控制)。然而，此反饋裝置可能由于難以實現和巨大的成本而不能事實上商業化。
[0009]相關文獻
[0010]非專利文獻
[0011](非專利文獻 l)Hoi_Kwong Lo, Marcos Curty,和 Bing Qi,“Measurement-Device-1ndependent Quantum Key Distribut1n，，，物理評論快報 108，130503(2012)
【發明內容】
[0012]本公開涉及用于量子密碼通信的方法和設備，其與測量裝置的缺陷不相關并且通過使用從相同光源生成的光信號來分發安全密鑰。
[0013]另外，本公開涉及用于量子密碼通信的方法和設備，其可以在無需任何單獨的反饋裝置的情況下生成具有相同屬性的多個光脈沖或光信號。
[0014]此外，本公開涉及用于量子密碼通信的方法和設備，其對環境變化具有魯棒性。
[0015]在本公開的一個方面中，提供了一種用于量子密碼通信的設備，該設備包括:光源，該光源被配置成生成被傳輸至多個量子編碼發送裝置的光脈沖；以及量子糾纏測量單元，該量子糾纏測量單元被配置成接收從該多個量子編碼發送裝置中的每個量子編碼發送裝置生成的光信號并且測量從該多個量子編碼發送裝置接收的光信號的量子態之間的關系，該光信號是通過將密鑰編碼至光脈沖的量子態來生成的。
[0016]在實施例中，用于量子密碼通信的設備還可以包括信號方向確定單元，該信號方向確定單元被配置成將光源的光脈沖傳輸至量子編碼發送裝置并且將該量子編碼發送裝置的光信號傳輸至量子糾纏測量單元。
[0017]另外，信號方向確定單元可以為光環行器。
[0018]在實施例中，量子編碼發送裝置還可以包括用于反射光脈沖或光信號的反射器。
[0019]該反射器可以為法拉第鏡。
[0020]在實施例中，量子編碼發送裝置可以包括用于任意地調制光脈沖或光信號的相位的任意相位調整器(shifter)。
[0021 ] 在實施例中，量子編碼發送裝置可以包括用于將與密鑰對應的數字信號編碼至光脈沖的調制器。
[0022]另外，在實施例中，光源可以為量子糾纏光源。
[0023]在本公開的另一方面中，提供了一種用于量子密碼通信的方法，該方法包括:將光脈沖傳輸至多個量子編碼發送裝置；從多個量子編碼發送裝置接收多個光信號，該光信號中的每個光信號是通過在量子編碼發送裝置中將密鑰編碼至光脈沖的量子態來生成的；以及測量多個光信號的量子態之間的關系。
[0024]在實施例中，用于量子密碼通信的方法還可以包括:在將光脈沖傳輸至多個量子編碼發送裝置的步驟與從多個量子編碼發送裝置接收多個光信號的步驟之間，對光脈沖或光信號進行反射。
[0025]對光脈沖或光信號進行反射的步驟可以包括:在對光脈沖或光信號的偏振進行旋轉之后對光脈沖或光信號進行反射。
[0026]在實施例中，用于量子密碼通信的方法還可以包括:在將光脈沖傳輸至多個量子編碼發送裝置的步驟與從多個量子編碼發送裝置接收多個光信號的步驟之間，任意地調制光脈沖或光信號的相位。
[0027]在實施例中，用于量子密碼通信的方法還可以包括:在將光脈沖傳輸至多個量子編碼發送裝置的步驟與從多個量子編碼發送裝置接收多個光信號的步驟之間，通過將與密鑰對應的數字信號編碼至光脈沖來生成光信號。
[0028]根據本公開的實施例，可以提供用于量子密碼通信的方法和設備，其與測量裝置的缺陷不相關并且在無需任何單獨的反饋裝置的情況下生成具有相同屬性一一例如偏振、時序以及光譜性質等一一的多個光脈沖或光信號，從而增強實用性。
[0029]另外，根據本公開的實施例，可以實現對環境變化具有魯棒性的量子密碼通信。
【附圖說明】
[0030]圖1是示意性地示出獨立于測量裝置的量子密碼系統的框圖；
[0031]圖2是示意性地示出根據本公開的實施例的用于量子密碼通信的設備的框圖；
[0032]圖3是示意性地示出了量子編碼發送裝置的框圖，根據本公開的實施例的用于量子密碼通信的設備將光脈沖傳輸至該量子編碼發送裝置并且從該量子編碼發送裝置接收光信號;
[0033]圖4是示意性地示出根據本公開的實施例的用于量子密碼通信的設備的框圖；
[0034]圖5是用于例示根據本公開的實施例的用于量子密碼通信的方法的流程圖；以及
[0035]圖6是用于例示根據本公開的實施例的用于量子密碼通信的方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0036]在下文中，將參考附圖來描述本公開的實施例。如果在若干附圖中使用相似的附圖標記，則在若干實施例中，相似的附圖標記指代相似的或一致的功能。
[0037]圖2是示意性地示出根據本公開的實施例的用于量子密碼通信的設備(在下文中，也稱為“量子密碼通信設備”)的框圖。
[0038]參考圖2，量子密碼通信設備(Charlie) 200可以包括光源201和量子糾纏測量單元202。該光源201生成被傳輸至第一量子編碼發送裝置(Alice) 210和第二量子編碼發送裝置(Bob) 220的光脈沖。在實施例中，光源201可以為激光光源或量子糾纏光源(例如，自發參量下轉換光子對)。
[0039]所生成的光脈沖通過量子信道203被傳輸至第一量子編碼發送裝置210和第二量子編碼發送裝置220，并且該量子信道203可以為例如光纖或大氣(自由空間)。第一量子編碼發送裝置210和第二量子編碼發送裝置220在接收到光脈沖之后分別將密鑰編碼至光脈沖的量子態以生成光信號，并且將所生成的光信號傳輸至量子糾纏測量單元202。第一量子編碼發送裝置210和第二量子編碼發送裝置220使用可以為隨機數的不同密鑰以對光脈沖進行編碼。
[0040]量子糾纏測量單兀202在接收到來自第一量子編碼發送裝置210和第二量子編碼發送裝置220的光信號之后測量所接收的多個光信號的量子態之間的關系，并且將測量結果作為共用信息傳輸至第一量子編碼發送裝置210和第二量子編碼發送裝置220。
[0041]第一量子編碼發送裝置210和第二量子編碼發送裝置220可以通過經由使用所接收的信息來恢復共用安全密鑰來具有相同的安全密鑰。
[0042]根據本公開的實施例的量子密碼通信設備將具有相同特性的光子或光脈沖從單個光源傳輸至多個量子編碼發送裝置，并且該多個量子編碼發送裝置通過使用從單個光源生成的光子或光脈沖來生成光信號。通過這樣做，經歷量子糾纏測量的多個光信號具有相同的屬性，例如，偏振、時序、光譜性質等。因此，不需要用于使多個光信號具有不被區分的一致屬性的屬性差異測量裝置或反饋裝置，因此可以以低成本容易地實現量子密碼通信設備。另外，由于光子被允許在同一量子信道203上來回傳送，所以可以提供對環境變化具有魯棒性的量子密碼通信。
[0043]盡管圖2示出了光源201將光脈沖傳輸至兩個量子編碼發送裝置210、220，但是量子編碼發送裝置的數目不限于這些，而是可以超過2個。例如，光源201可以將光脈沖傳輸至數目為NX N (N為自然數)的量子編碼發送裝置，并且可以將從數目為NX N的量子編碼發送裝置生成的光信號傳輸至量子糾纏測量單元202以構建NXN網絡。
[0044]圖3是示意性地示出了量子編碼發送裝置的框圖，根據本公開的實施例的用于量子密碼通信的設備將光脈沖傳輸至該量子編碼發送裝置并且從該量子編碼發送裝置接收光信號。
[0045]參考圖3，量子密碼發送裝置310可以包括反射器313。該反射器313通過反射光脈沖或者光信號來將光脈沖或光信號的前進方向路徑改變180度。在與光源201 (圖2)所生成的光脈沖相比時，被反射器313反射的光脈沖或光信號可以具有經調制的量子態或未經調制的量子狀態(例如，相位或偏振)。
[0046]在實施例中，反射器313可以是對光脈沖或光信號的偏振進行旋轉并且對光脈沖或光信號進行反射的法拉第鏡。該法拉第鏡用于法拉第旋轉器以將入射光脈沖或入射光信號的偏振旋轉90度并且返回該光脈沖或光信號。被反射的光脈沖或被反射的光信號的偏振垂直于入射光脈沖或入射光信號的偏振，因此當光信號通過量子信道203 (圖2)被傳輸至量子密碼通信設備200(圖2)時，自動地校正由環境因素引起的偏振等的改變。因此可以提供對環境變化具有魯棒性的量子密碼通信設備。
[0047]在實施例中，量子編碼發送裝置310可以包括任意相位調整器311。該任意相位調整器311可以任意地調制從光源201 (圖2)接收的光脈沖或者從光脈沖轉換裝置312接收的光信號的量子態，使得例如相位被調制。
[0048]在量子密碼通信設備中所包括的量子糾纏測量單元通過測量多個光信號之間的干擾來測量光信號的量子態之間的關系。在多個光信號之間發生一階干擾和二階干擾，并且由量子糾纏測量單元測量該二階干擾。一階干擾為光的電磁場之間的干擾并且可以通過使用單個檢測器來測量，但是二階干擾為光的強度之間的干擾且可以通過使用兩個檢測器的相關性來測量。根據本公開的實施例的量子密碼通信設備可以通過經由在每個量子編碼發送裝置中所包括的任意相位調整器來調制光脈沖或光信號的相位來去除多個光子之間的一階相干性，并且此時，該任意相位調整器不同步。
[0049]在實施例中，量子編碼發送裝置310可以包括調制器312。該調制器312將與密鑰對應的數字信號編碼至光脈沖的量子態(例如，偏振或相位)以將該光脈沖轉換為具有信息的光信號。例如，量子編碼發送裝置310根據與隨機數發生器所生成的隨機數對應的數字信號來調制光脈沖的偏振，以將數字信號編碼至光脈沖的偏振，從而生成表示數字信號的光信號。
[0050]可以將具有由任意相位調整器311調制的屬性的光脈沖輸入至調制器312并且將其轉換為光信號，或者也可以將從光源接收的具有未經調制的屬性的光脈沖輸入至調制器312并且將其轉換為光信號。
[0051]圖4是示意性地示出根據本公開的實施例的用于量子密碼通信的設備的框圖。
[0052]參考圖4，量子密碼通信設備400還可以包括信號方向確定單元402。該信號方向確定單元402將來自光源401的光脈沖傳輸至第一量子編碼發送裝置410或第二量子編碼發送裝置420，并且將來自該第一量子編碼發送裝置410或第二量子編碼發送裝置置420的光信號傳輸至量子糾纏測量單元403。換言之，信號方向確定單元402確定的光脈沖或光信號的前進方向。在實施例中，信號方向確定單元402可以為光環行器。
[0053]在實施例中，如圖4中所示，量子密碼通信設備400分發安全密鑰。從光源401生成的光脈沖被輸入至信號方向確定單元402，并且根據信號方向確定單元402的狀態、通過量子信道404被傳輸至第一量子編碼發送裝置410和第二量子編碼發送裝置420。任意相位調整器411任意地調制從量子密碼通信設備400接收的光脈沖的相位并且將該光脈沖傳輸至調制器412。該調制器412將密鑰編碼至所接收的光脈沖的量子態以生成光信號，并且向反射器413傳輸所生成的光信號。反射器413對入射光信號的偏振進行旋轉并且將具有經旋轉的偏振的光信號反射至量子密碼通信設備400。該光信號通過量子信道404被輸入至信號方向確定單元402，并且根據信號方向確定單元402的狀態被傳輸至量子糾纏測量單元403。第二量子編碼發送裝置420的任意相位調整器421、調制器422以及反射器423也以與第一量子編碼發送裝置410的任意相位調整器411、調制器412以及反射器413相似的方式進行操作，并且作為結果，光信號被傳輸至量子糾纏測量單元403。量子糾纏測量單元403測量從量子編碼發送裝置410、量子編碼發送裝置420 二者接收的光信號的量子態之間的關系并且將測量結果傳輸至量子編碼發送裝置410、量子編碼發送裝置420 二者，以使得量子編碼發送裝置410、量子編碼發送裝置420 二者可以恢復安全密鑰并且擁有共有的安全密鑰。
[0054]圖5是用于例示根據本公開的實施例的用于量子密碼通信的方法的流程圖。
[0055]參考圖5，用于量子密碼通信的方法(在下文中，也稱為“量子密碼通信方法”)500包括:將光脈沖傳輸至多個量子編碼發送裝置(步驟501);從多個量子編碼發送裝置接收多個光信號，其中該量子編碼發送裝置將密鑰編碼至光脈沖的量子態，以生成多個光信號(步驟502);以及測量多個光信號的量子態之間的關系(步驟503)。
[0056]根據本公開的實施例的量子密碼通信方法將光子或光脈沖從單個光源傳輸至多個量子編碼發送裝置，并且測量通過使用光子或光脈沖所生成的光信號之間的關系。通過這樣做，可以在無需任何單獨的反饋裝置的情況下生成并且使用具有相同屬性的光信號。
[0057]圖6是用于例示根據本公開的實施例的用于量子密碼通信的方法的流程圖。
[0058]參考圖6，在實施例中，量子密碼通信方法600還可以包括:在將光脈沖傳輸至多個量子編碼發送裝置的步驟601與從多個量子編碼發送裝置接收多個光信號的步驟602之間，任意地調制光脈沖或光信號的相位(步驟604)。
[0059]在實施例中，量子密碼通信方法600還可以包括:在將光脈沖傳輸至多個量子編碼發送裝置的步驟601與從多個量子編碼發送裝置接收多個光信號的步驟602之間，通過將與密鑰對應的數字信號編碼至光脈沖以生成光信號(步驟605)。
[0060]在實施例中，量子密碼通信方法600還可以包括:在將光脈沖傳輸至多個量子編碼發送裝置的步驟601與從多個量子編碼發送裝置接收多個光信號的步驟602之間，對光脈沖或光信號進行反射(步驟606)。在實施例中，對光脈沖或光信號進行反射的步驟606可以包括:在對光脈沖或光信號的偏振進行旋轉之后對光脈沖或光信號進行反射。
[0061]盡管圖6按照如下順序例示了該方法:任意地調制光脈沖或光信號的相位的步驟604，通過將與密鑰對應的數字信號編碼至光脈沖來生成光信號的步驟605，以及對光脈沖或光信號進行反射的步驟606，但是本公開不限于此，并且這些步驟(步驟604、步驟605、步驟606)可以按照不同的順序來執行。
[0062]例如，在將光脈沖傳輸至多個量子編碼發送裝置的步驟601之后，步驟604至步驟606可以按照以下順序來執行:通過將與密鑰對應的數字信號編碼至光脈沖來生成光信號的步驟605，對光脈沖或光信號進行反射的步驟606，以及任意地調制光脈沖或光信號的相位的步驟604。在這種情況下，在反射光脈沖或光信號的步驟606中，將對光信號進行反射。另外，在任意地調制光脈沖或光信號的相位的步驟604中，將對光信號進行調制。
[0063]作為另一示例，步驟604至步驟606可以按照以下順序來執行:對光脈沖或光信號進行反射的步驟606，任意地調制光脈沖或光信號的相位的步驟604，通過將與密鑰對應的數字信號編碼至光脈沖來生成光信號的步驟605。在這種情況下，在對光脈沖或光信號進行反射的步驟606中，將對光信號進行反射。另外，在任意地調制光脈沖或光信號的相位的步驟604中，將對光信號進行調制。
[0064]換言之，可以分別在對光脈沖或光信號進行反射的步驟606之前或之后執行任意地調制光脈沖或光信號的相位的步驟604和通過將與密鑰對應的數字信號編碼至光脈沖來生成光信號的步驟605。
[0065]在不背離本公開的范圍的情況下，本領域普通技術人員可以對本公開進行改變或修改，并且因此本公開不限于以上實施例或附圖。
【主權項】
1.一種用于量子密碼通信的設備，包括: 光源，所述光源被配置成生成被傳輸至多個量子編碼發送裝置的光脈沖；以及 量子糾纏測量單元，所述量子糾纏測量單元被配置成接收從所述多個量子編碼發送裝置中的每個量子編碼發送裝置生成的光信號并且測量從所述多個量子編碼發送裝置接收的光信號的量子態之間的關系，所述光信號是通過將密鑰編碼至所述光脈沖的量子態來生成的。2.根據權利要求1所述的用于量子密碼通信的設備，還包括信號方向確定單元，所述信號方向確定單元被配置成將所述光源的光脈沖傳輸至所述量子編碼發送裝置并且將所述量子編碼發送裝置的光信號傳輸至所述量子糾纏測量單元。3.根據權利要求2所述的用于量子密碼通信的設備， 其中，所述信號方向確定單元為光環行器。4.根據權利要求1所述的用于量子密碼通信的設備， 其中，所述量子編碼發送裝置包括用于反射所述光脈沖或所述光信號的反射器。5.根據權利要求4所述的用于量子密碼通信的設備， 其中，所述反射器為法拉第鏡。6.根據權利要求1所述的用于量子密碼通信的設備， 其中，所述量子編碼發送裝置包括用于任意地調制所述光脈沖或所述光信號的相位的任意相位調整器。7.根據權利要求1所述的用于量子密碼通信的設備， 其中，所述量子編碼發送裝置包括用于將與所述密鑰對應的數字信號編碼至所述光脈沖的調制器。8.根據權利要求1所述的用于量子密碼通信的設備， 其中，所述光源為量子糾纏光源。9.根據權利要求1所述的用于量子密碼通信的設備， 其中，所述多個量子編碼發送裝置的數目為N X N，其中，N為自然數。10.一種用于量子密碼通信的方法，包括: 將光脈沖傳輸至多個量子編碼發送裝置； 從所述多個量子編碼發送裝置接收多個光信號，所述光信號中的每個光信號是通過在所述量子編碼發送裝置中將密鑰編碼至所述光脈沖的量子態來生成的；以及 測量所述多個光信號的量子態之間的關系。11.根據權利要求10所述的用于量子密碼通信的方法，在所述將光脈沖傳輸至多個量子編碼發送裝置與所述從所述多個量子編碼發送裝置接收多個光信號之間還包括: 對所述光脈沖或所述光信號進行反射。12.根據權利要求11所述的用于量子密碼通信的方法， 其中，所述對所述光脈沖或所述光信號進行反射包括:在對所述光脈沖或所述光信號的偏振進行旋轉之后對所述光脈沖或所述光信號進行反射。13.根據權利要求10所述的用于量子密碼通信的方法，在所述將光脈沖傳輸至多個量子編碼發送裝置與所述從所述多個量子編碼發送裝置接收多個光信號之間還包括: 任意地調制所述光脈沖或所述光信號的相位。14.根據權利要求10所述的用于量子密碼通信的方法，在所述將光脈沖傳輸至多個量子編碼發送裝置與所述從所述多個量子編碼發送裝置接收所述光信號之間還包括: 通過將與所述密鑰對應的數字信號編碼至所述光脈沖來生成所述光信號。15.根據權利要求10所述的用于量子密碼通信的方法， 其中，所述多個量子編碼發送裝置的數目為N X N，其中，N為自然數。
【文檔編號】H04L9/08GK105897411SQ201510038277
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2015年1月26日
【發明人】金容洙, 韓相旭, 文盛昱, 崔裕準
【申請人】韓國科學技術研究院