[发明专利]基于QAM的量子噪声加密方法和系统

说明书

本发明公开了一种基于QAM的量子噪声加密方法和系统，所述方法包括：将基于QAM的I/Q路种子密钥扩展为I/Q路运行密钥；将I路和Q路运行密钥同时经过自适应学习速率的混沌循环神经网络生成I路和Q路模式密钥；根据I路和Q路运行、模式密钥生成I路基和Q路基；利用I/Q路基对I/Q路明文进行加密得到I/Q路密文后向对端发送。应用本发明可以提高系统的加密传输安全性，且不需要添加额外的密钥扩展器，节省成本。

技术领域

本发明涉及信息安全传输技术领域，特别是指一种基于QAM的量子噪声加密方法和系统。

背景技术

随着高清视频，5G等通信技术的快速发展，各种信息交互量与日俱增，对光传输系统的安全性提出了新挑战。以对称密码体制、公开密码体制、端点鉴别、报文完整性、数字签名为主的经典加密通信技术是目前保障光网络信息传输安全的主要手段。然而，该信息安全体制存在两个显著的问题。一是从应用层到物理层安全能力不断下降；二是从应用层到物理层都是基于计算复杂度的数学加密。随着计算能力与运算速度的提升，这种建立在计算复杂度基础之上的信息安全体制逐渐受到挑战，已不能满足日益增长的安全需求，无法应对针对物理层的攻击和窃听行为。

量子噪声流加密(QNSC)是近几年兴起的一种基于数学复杂度(短密钥扩展为长密钥的算法)和物理复杂度(量子噪声测不准定理)的加密技术。该技术采用光纤通信系统固有的物理光噪声作为密钥对光信号加密和隐藏。因此，密钥在量子噪声流加密中起着重要作用，密文信号的编码、调制、传输和检测技术都依赖于密钥的安全性。然而，如何获得稳定、高效、低成本的长密钥流来保证系统的安全性已成为一个亟待解决的问题。

为了解决以上问题，传统的做法是使用噪声扩散技术。主要包括不规则映射(IRM)、重叠选择键控(OSK)、蓄意信号随机化(DSR)和键控蓄意随机化(KSDR)等。规则映射(RM)是将运行密钥的每个数字按照以下规则映射到对应的量子模。奇偶校验值Π是被添加到最终的量子模中以混合0和1bit值，如式1所示。

明文X＝x₁,x₂,……,x_n，运行密钥K_r＝k₁,k₁,……,k_n,k_j∈(1,……,M)。则量子模如式2所示：

通常不使用规则映射，是因为此时检测过程中的量子噪声会影响特定量子模的几个bit位，该映射器容易受到快速相关攻击。因此，通常的选择是不规则映射(IRM)，如(式3)所示，这种不规则映射的特点是可以抵御快速相关攻击。

如图1a所示，重叠选择键控(OSK)是一种利用附加的伪随机数发生器对明文比特进行加扰的方法。例如，在时间t，当伪随机发生器的输出位为1时，明文位x_t翻转，否则保持不变。因为明文的每一位都会影响光传输信号的选择，所以这种方法并不是经典的噪声扩散技术。可以看出，采用这种方法的好处是操作简单方便，但是实现成本较高。

蓄意信号随机化是通过连续摆动信号参数(例如信号的相位和幅度)来增强量子噪声的掩蔽效果。如图1b所示，只要波动幅度低于由系统参数确定的临界值，合法接收机就可以吸收信号波动，从而DSR机制只需安装在发射机上。但是这种方法需要高速真随机数生成器作为驱动机制，为了解决这个问题，有学者提出DSR的改进版本，采用的方法是使用伪随机数发生器代替真随机数发生器，并将此类型称为键控故意随机化，如图1c所示。

量子噪声流加密本质上相干态量子效应的应用。但是相干光中包含的量子噪声是泊松分布的，这种量子噪声在相邻的多值电平之间是有限的，并不能影响整个信号区域，因此系统的安全性较低。此外，现有的噪声扩散技术都需要添加额外的密钥扩展器，从而造成资源的浪费。

发明内容