CN117318834A - 基于硅光子学的量子密钥分发装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于硅光子学的量子密钥分发装置，涉及量子保密通信技术领域，包括身份库、角色分配模块、光源模块、接收模块、偏振基检测模块、信道通信模块和序列检测模块。该基于硅光子学的量子密钥分发装置，通过角色分配模块快速为身份库内的关联设备匹配对应角色，使得发送模块与接收模块能够与设备进行关联，以便设备能够执行该角色相关指令，改进后的量子密钥分发装置打破设备‑角色的固有关联及其拓扑关系，减少装置关于设备‑角色关联性的存储负担，便于快速实现同一设备不同角色的快速切换，通过分步核验发射端设备与接收端设备在密钥分发过程中是否存在监听的情况，以便在任一环节出现监听风险或异常时，及时终止信息传输。
Description
技术领域
本发明涉及量子保密通信技术领域，具体为基于硅光子学的量子密钥分发装置。
背景技术
硅光子学专门研究硅以及硅基异质结材料(诸如sige/si、soi等)等介质材料中光子的行为和规律，着重研究硅基光子器件的工作原理、结构设计与制造以及在光通信、光计算等领域中的实际应用。量子密钥分发，简称QKD，是利用量子力学特性来保证通信安全性。它使通信的双方能够产生并分享一个随机的、安全的密钥，来加密和解密消息。量子密钥分发的安全性基于量子力学的基本原理，而传统密码学是基于某些数学算法的计算复杂度，这使得传统密码学无法察觉窃听，也就无法保证密钥的安全性，因此，传统密码学正逐步被量子密钥分发所取代。
就比如申请号为202021143179.3的专利文件公开了基于后量子密码学和区块链的量子密钥分发管理装置及分发系统，该专利实现了QKD设备之间的初始认证密钥的颁发，颁发认证密钥的工作量大大降低；并通过量子密钥分发管理装置能够对量子密钥分发装置进行设备信息的采集、设备问题的报警提交等功能，实现了QKD设备安全可靠的远程管理；另外，实现了QKD网络分布式的管理和监控，免去了抗毁能力不强的网络管理服务器，使得网络管理系统的抗毁能力得到提高。
但类似于上述申请的现有量子密钥分发装置依然存在以下不足：
现有的量子密钥分发装置一般会对设备在通信中的身份角色进行存储，以便于再次通信时调取历史数据直接使用，但存储设备-角色的固有关联及其拓扑关系会占用大量装置存储空间，造成数据冗余，影响装置运行速度，且同一设备无法快速切换不同角色进行量子密钥分发，从而影响装置分发效率。
因此，急需对此缺点进行改进，本发明则是针对现有的结构及不足予以研究改良，提供有基于硅光子学的量子密钥分发装置。
发明内容
本发明的目的在于提供基于硅光子学的量子密钥分发装置，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于硅光子学的量子密钥分发装置，包括身份库、角色分配模块、发送模块、接收模块、偏振基检测模块、信道通信模块和序列检测模块，其中，
所述身份库，用于存储量子密钥分发装置所关联设备的身份信息；
所述角色分配模块，用于接收关联设备的登录请求，并结合所述身份库的设备身份信息进行身份安全认证，认证后，为登录设备匹配对应角色，赋予角色相关权限；
所述发送模块，用于关联角色为发送端的设备，并执行发送端关于通信的相关指令；
所述接收模块，用于关联角色为接收端的设备，并执行接收端关于通信的相关指令；
所述偏振基检测模块，用于接收并检测发送端与接收端所选择的偏振基；
所述信道通信模块，用于基于通信网络，通过公开信道进行发送端与接收端信息交互；
所述序列检测模块，用于检测发送端与接收端选择公布的序列是否相同。
进一步的，所述角色分配模块可为登录设备匹配的角色至少包括发送端和接收端。
进一步的，所述发送模块具体包括：
随机生成密钥；
随机选择偏振基；
根据偏振基将单光子调制到指定偏振角度，形成单光子信号。
进一步的，所述单光子偏振通过Jones矢量和Stokes矢量进行表示，其中，Jones矢量是由两个复数分量构成的二维矢量，分别表示单光子矢量在x和y方向上的振幅和相位，Stokes矢量则是由四个实数分量构成的四维矢量，分别表示单光子的强度、线偏振度、椭圆度和偏振方向。
进一步的，所述接收模块具体包括：
随机选择用于接收的偏振基；
根据单光子偏振态测量转换出的密钥。
进一步的，所述发送模块和接收模块基于光学设备，使用光子的偏振态传递信息，用于模块所关联的发送端设备与接收端设备的信息交互，所述光学设备包括但不限于激光器和偏振分波器。
进一步的，所述偏振基检测模块的检测结果如下：
若发送端与接收端选择相同偏振基，可以测得正确密钥；
若发送端与接收端选择不同偏振基，将会测出错误密钥。
进一步的，所述信道通信模块具体包括：
接收端通过公开信道将自己的基选择发送给发送端；
发送端将正确的基选择的子集通过公开信道发送给接收端。
进一步的，所述序列检测模块具体包括：
发送端和接收端把相同基选择对应的密钥，从中选择一段进行公布，并对所公布的密钥序列进行检测。
进一步的，所述序列检测模块的检测结果如下：
若发送端和接收端所公布的密钥序列出现不同，说明有人在窃听，并将这次通信作废；
若发送端和接收端所公布的密钥序列没有相同，说明无人在窃听，并将相同基选择对应密钥未公布的部分，作为最终的密钥。
本发明提供了基于硅光子学的量子密钥分发装置，具备以下有益效果：
1、本发明相较于传统的量子密钥分发，通过角色分配模块快速为身份库内的关联设备匹配对应角色，使得发送模块与接收模块能够与设备进行关联，以便设备能够执行该角色相关指令，改进后的量子密钥分发装置打破设备-角色的固有关联及其拓扑关系，减少装置关于设备-角色关联性的存储负担，便于快速实现同一设备不同角色的快速切换，有利于提升装置分发效率。
2、本发明相较于传统的量子密钥分发，通过偏振基检测模块对偏振基选择进行检测，并通过序列检测模块对所公布的序列进行检测，分步核验发射端设备与接收端设备在密钥分发过程中是否存在监听的情况，以便在任一环节出现监听风险或异常时，及时终止信息传输，无需走完整个流程，不仅便于装置提前进入新的量子密钥分发工作，提升分发效率，更进一步加强了量子密钥分发的保密性，降低信息泄露风险。
附图说明
图1为本发明基于硅光子学的量子密钥分发装置的结构示意图；
图2为本发明基于硅光子学的量子密钥分发装置的发送模块-接收模块运行流程框图；
图3为本发明基于硅光子学的量子密钥分发装置的偏振基检测模块运行流程框图；
图4为本发明基于硅光子学的量子密钥分发装置的信道通信模块运行流程框图；
图5为本发明基于硅光子学的量子密钥分发装置的序列检测模块运行流程框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
如图1-图5所示，基于硅光子学的量子密钥分发装置，包括身份库、角色分配模块、发送模块、接收模块、偏振基检测模块、信道通信模块和序列检测模块，其中，
身份库，用于存储量子密钥分发装置所关联设备的身份信息；
角色分配模块，用于接收关联设备的登录请求，并结合身份库的设备身份信息进行身份安全认证，认证后，为登录设备匹配对应角色，赋予角色相关权限；
发送模块，用于关联角色为发送端的设备，并执行发送端关于通信的相关指令；
接收模块，用于关联角色为接收端的设备，并执行接收端关于通信的相关指令；
偏振基检测模块，用于接收并检测发送端与接收端所选择的偏振基；
信道通信模块，用于基于通信网络，通过公开信道进行发送端与接收端信息交互；
序列检测模块，用于检测发送端与接收端选择公布的序列是否相同。
角色分配模块可为登录设备匹配的角色至少包括发送端和接收端。
发送模块具体包括：
随机生成密钥；
随机选择偏振基；
根据偏振基将单光子调制到指定偏振角度，形成单光子信号。
单光子偏振通过Jones矢量和Stokes矢量进行表示，其中，Jones矢量是由两个复数分量构成的二维矢量，分别表示单光子矢量在x和y方向上的振幅和相位，Stokes矢量则是由四个实数分量构成的四维矢量，分别表示单光子的强度、线偏振度、椭圆度和偏振方向。
接收模块具体包括：
随机选择用于接收的偏振基；
根据单光子偏振态测量转换出的密钥。
发送模块和接收模块基于光学设备，使用光子的偏振态传递信息，用于模块所关联的发送端设备与接收端设备的信息交互，光学设备包括但不限于激光器和偏振分波器。
偏振基检测模块的检测结果如下：
若发送端与接收端选择相同偏振基，可以测得正确密钥；
若发送端与接收端选择不同偏振基，将会测出错误密钥。
信道通信模块具体包括：
接收端通过公开信道将自己的基选择发送给发送端；
发送端将正确的基选择的子集通过公开信道发送给接收端。
序列检测模块具体包括：
发送端和接收端把相同基选择对应的密钥，从中选择一段进行公布，并对所公布的密钥序列进行检测。
序列检测模块的检测结果如下：
若发送端和接收端所公布的密钥序列出现不同，说明有人在窃听，并将这次通信作废；
若发送端和接收端所公布的密钥序列没有相同，说明无人在窃听，并将相同基选择对应密钥未公布的部分，作为最终的密钥。
综上，结合图1-图5所示，该基于硅光子学的量子密钥分发装置的工作原理如下：
身份库，用于存储量子密钥分发装置所关联设备的身份信息；
角色分配模块，用于接收关联设备的登录请求，并结合身份库的设备身份信息进行身份安全认证，认证后，为登录设备匹配对应角色，赋予角色相关权限；角色分配模块可为登录设备匹配的角色至少包括发送端和接收端；
发送模块，用于关联角色为发送端的设备，并执行发送端关于通信的相关指令；发送模块具体包括：随机生成密钥；随机选择偏振基；根据偏振基将单光子调制到指定偏振角度，形成单光子信号；
单光子偏振通过Jones矢量和Stokes矢量进行表示，其中，Jones矢量是由两个复数分量构成的二维矢量，分别表示单光子矢量在x和y方向上的振幅和相位，Stokes矢量则是由四个实数分量构成的四维矢量，分别表示单光子的强度、线偏振度、椭圆度和偏振方向；
接收模块，用于关联角色为接收端的设备，并执行接收端关于通信的相关指令；接收模块具体包括：随机选择用于接收的偏振基；根据单光子偏振态测量转换出的密钥；
发送模块和接收模块基于光学设备，使用光子的偏振态传递信息，用于模块所关联的发送端设备与接收端设备的信息交互，光学设备包括但不限于激光器和偏振分波器；
偏振基检测模块，用于接收并检测发送端与接收端所选择的偏振基；偏振基检测模块的检测结果如下：若发送端与接收端选择相同偏振基，可以测得正确密钥；若发送端与接收端选择不同偏振基，将会测出错误密钥；
信道通信模块，用于基于通信网络，通过公开信道进行发送端与接收端信息交互；信道通信模块具体包括：接收端通过公开信道将自己的基选择发送给发送端；发送端将正确的基选择的子集通过公开信道发送给接收端；
序列检测模块，用于检测发送端与接收端选择公布的序列是否相同；序列检测模块具体包括：发送端和接收端把相同基选择对应的密钥，从中选择一段进行公布，并对所公布的密钥序列进行检测；若发送端和接收端所公布的密钥序列出现不同，说明有人在窃听，并将这次通信作废；若发送端和接收端所公布的密钥序列没有相同，说明无人在窃听，并将相同基选择对应密钥未公布的部分，作为最终的密钥。
本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
Claims (10)
1.基于硅光子学的量子密钥分发装置，其特征在于，包括身份库、角色分配模块、发送模块、接收模块、偏振基检测模块、信道通信模块和序列检测模块，其中，
所述身份库，用于存储量子密钥分发装置所关联设备的身份信息；
所述角色分配模块，用于接收关联设备的登录请求，并结合所述身份库的设备身份信息进行身份安全认证，认证后，为登录设备匹配对应角色，赋予角色相关权限；
所述发送模块，用于关联角色为发送端的设备，并执行发送端关于通信的相关指令；
所述接收模块，用于关联角色为接收端的设备，并执行接收端关于通信的相关指令；
所述偏振基检测模块，用于接收并检测发送端与接收端所选择的偏振基；
所述信道通信模块，用于基于通信网络，通过公开信道进行发送端与接收端信息交互；
所述序列检测模块，用于检测发送端与接收端选择公布的序列是否相同。
2.根据权利要求1所述的基于硅光子学的量子密钥分发装置，其特征在于，所述角色分配模块可为登录设备匹配的角色至少包括发送端和接收端。
3.根据权利要求1所述的基于硅光子学的量子密钥分发装置，其特征在于，所述发送模块具体包括：
随机生成密钥；
随机选择偏振基；
根据偏振基将单光子调制到指定偏振角度，形成单光子信号。
4.根据权利要求3所述的基于硅光子学的量子密钥分发装置，其特征在于，所述单光子偏振通过Jones矢量和Stokes矢量进行表示，其中，Jones矢量是由两个复数分量构成的二维矢量，分别表示单光子矢量在x和y方向上的振幅和相位，Stokes矢量则是由四个实数分量构成的四维矢量，分别表示单光子的强度、线偏振度、椭圆度和偏振方向。
5.根据权利要求1所述的基于硅光子学的量子密钥分发装置，其特征在于，所述接收模块具体包括：
随机选择用于接收的偏振基；
根据单光子偏振态测量转换出的密钥。
6.根据权利要求1所述的基于硅光子学的量子密钥分发装置，其特征在于，所述发送模块和接收模块基于光学设备，使用光子的偏振态传递信息，用于模块所关联的发送端设备与接收端设备的信息交互，所述光学设备包括但不限于激光器和偏振分波器。
7.根据权利要求1所述的基于硅光子学的量子密钥分发装置，其特征在于，所述偏振基检测模块的检测结果如下：
若发送端与接收端选择相同偏振基，可以测得正确密钥；
若发送端与接收端选择不同偏振基，将会测出错误密钥。
8.根据权利要求1所述的基于硅光子学的量子密钥分发装置，其特征在于，所述信道通信模块具体包括：
接收端通过公开信道将自己的基选择发送给发送端；
发送端将正确的基选择的子集通过公开信道发送给接收端。
9.根据权利要求1所述的基于硅光子学的量子密钥分发装置，其特征在于，所述序列检测模块具体包括：
发送端和接收端把相同基选择对应的密钥，从中选择一段进行公布，并对所公布的密钥序列进行检测。
10.根据权利要求9所述的基于硅光子学的量子密钥分发装置，其特征在于，所述序列检测模块的检测结果如下：
若发送端和接收端所公布的检测密钥序列出现不同，说明有人在窃听，并将这次通信作废；
若发送端和接收端所公布的检测密钥序列没有相同，说明无人在窃听，并将相同基选择对应密钥未公布的部分，作为最终的密钥。
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