[发明专利]一种基于氢原子的混合量子通信方法

说明书

一种基于氢原子的混合量子通信方法，包括Alice量子通信模块、Bob量子通信模块，并均具备经典通信和量子通信两种通信模式；Alice量子通信模块与Bob量子通信模块之间形成两条通信通道；其中一条通信通道为经典信道；其中另一条通信通道为量子信道；Alice量子通信模块与Bob量子通信模块既可作为发送方也可以作为接收方，均具有制备量子密钥的能力；经典信道与量子信道均能够进行双向通信，通信双方使用经典信道传输加密信息，并使用量子信道传输量子密钥。本发明能够解决现有的量子通信方案抗干扰能力不强、不适合量子比特的存储和管理、抗量子攻击能力较弱、通信失败几率较高的技术问题，且能够兼容现有的经典通信网络。

技术领域

本发明属于计算机网络、通信领域及量子加密领域，具体涉及一种基于氢原子的混合量子通信方法。

背景技术

随着互联网时代的快速发展，信息通信应用越来越广泛，通信安全问题也日益受到重视。现在比较常见的加密算法都是传统的、基于算法的加密方式，如DES加密或RSA加密体系，这些方法的安全性比较依赖于数学算法的复杂性，通过增加密码位数等方法导致经典计算机无法在有限时间内完成求解来提高通信安全性。但是这种基于算法的加密方式在量子计算出现后，安全性已经备受质疑。比如量子计算机能够在几秒内完成几百台计算机上百年的计算工作，量子Grover算法能够轻松破解DES加密体系，Shor算法能够破解RSA加密体系。

近年来还出现了量子通信技术，如BB84协议、B92协议、EPR协议、GHZ协议等，大大提高了通信的安全性。在量子通信中，量子密钥的分配基于海森堡测不准原理以及量子态不可克隆定理，在分配密钥的时候还会测量是否有非法窃听，如果有外界的窃听者试图在传输过程中测量量子消息，会导致量子态的坍塌，从而被察觉。

当前国内外广泛使用的量子通信主要有以下几个特点：一是利用光子进行量子纠缠操作，最著名的几个量子加密协议，如BB84协议、B92协议、EPR协议、GHZ协议等均使用纠缠光子对；二是先利用量子信道进行密钥的通信，之后再通过经典信道来进行密钥的协商并找出是否有窃听者存在，最后再协商出可用的密钥，并使用经典信道传输加密信息；三是正交基比较少，比如BB84协议使用了两套不同的正交基：用光子的线性偏振状态|0°>和|90°>(代表水平线性偏振状态和垂直线性偏振状态)以及旋转偏振状态|45°>和|135°>。这些量子通信技术提供了一种理论上绝对安全的通信技术。

虽然当前的量子通信技术已经大大提高了通信的安全性，但仍然有一些明显的不足之处。

问题1：首先，当前的量子通信方案不适合量子比特的存储和管理。当前的量子通信方案广泛使用光子作为量子比特，如BB84协议、B92协议、EPR协议、GHZ协议等，主要原因是光子适合使用激光器件产生，并由光学元件组成光路进行量子纠缠操作，但是光子也是飞行比特，其速度为光速，在计算机中几乎无法保存。所以当前的量子通信方案无一例外地每次通信都要产生新的光子，无法实现飞行光子的存储和管理。

问题2：当前的量子通信方案抗干扰能力不强。由于使用光子的偏振态组成字母表，如一组0度和90度，另一组45度和135度，使用上和实现上比较方便；但是，显然两组编码间的正交性不强，码距比较短，对测量精度要求比较高。在比较理想的状态下，Alice和Bob可以生成以及共同享有一样的随机密钥。在实际的操作中，要考虑的还有仪器的误差以及环境噪声，比如在通信中测量到22.5度，将无法判断是0度字母中导致的还是45度字母表中导致的，或者是有窃听者或有环境噪声，双方必须公布测量方法才能进一步确定。在当前各种量子通信中，如BB84协议、B92协议、EPR协议、GHZ协议等，都反复强调易受环境噪声的影响，当测量噪声比较大时，或被攻击者使用量子噪声干扰时，将很难被区分这类测量误差是由Eve窃听所造成的还是由信道噪声所造成的，因此现有的量子通信方案对光子物理态测量的精度要求非常高。