一种基于氢原子的混合量子通信方法与流程

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。

再次，当前的量子通信方案抗量子攻击能力较弱，通信失败几率较高。在量子通信中，同样存在拒绝服务(denial-of-service)量子攻击和中间人量子攻击。当前的量子通信方案使用两组字母表，虽然eve并不知道alice和bob选择字母表的行为，但假如eve在整个过程中100％持续不间断实施窃听，每次仍然有50％的几率在两组字母表中选择正确而窃听成功，导致本次通信作废，量子密钥失效，即形成拒绝服务量子攻击。进一步地，eve能够使用窃听成功的量子密钥，伪造成中间人，模仿通信双方的操作而不被发现，即形成中间人量子攻击。再加上现有的基于光子的量子通信方案抗干扰能力不强和测量误差问题，拒绝服务量子攻击和中间人量子攻击导致的量子通信失败的几率更高。如果eve持续不断地测量和攻击alice与bob的量子通信，alice与bob只能不断地重复着作废和重启操作，将会导致双方通信无法正常进行，从而影响重要业务的及时完成。

最后，现有的量子通信方案，多是单向的，即由一方发送量子密钥。在量子通信中，双方需要进行密钥的协商，采用两组字母表进行测量，以确定本次量子通信是否有效，如果发送量子密钥或形成纠缠光子对的发送方故障或失效，则有可能导致双方无法通信。双方的通信依赖于发送方制备量子态的精度和通信过程，类似于半双工通信方式，这在很多时候并不方便。

技术实现要素：

本发明的目的是为解决现有量子通信方案抗干扰能力不强的技术问题，还能解决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抗量子攻击能力较弱通信失败几率较高的技术问题。

发明的目的是这样实现的：

一种基于氢原子的混合量子通信方法，它包括alice量子通信模块、bob量子通信模块，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，其中一条通信通道包括经典信道，alice量子通信模块与经典信道、bob量子通信模块依次连接进行通信，其中另一条通信通道包括量子信道，alice量子通信模块与量子信道、bob量子通信模块依次连接进行通信，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，经典信道与量子信道能够进行双向量子通信，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。

所述alice量子通信模块能够随机选择氢原子量子态字母表中的任意一组制备一位或多位量子态进行量子通信，也能够测量字母表中的不同物理态。

所述氢原子量子态字母表包括多组互不相同的物理态，每组均包括|0>和|1>两种正交的物理态，alice量子通信模块能够随机选择字母表中的任意一组构成量子密钥实现对信息的加密，并将加密后的信息通过经典信道传输给bob量子通信模块，量子密钥通过量子信道传输给bob量子通信模块。

所述bob量子通信模块能够随机选择氢原子量子态字母表中的任意一组制备一位或多位量子态进行量子通信，也能够测量字母表中的不同物理态。

所述alice量子通信模块用于alice测量氢原子的多种量子态以及对氢原子的量子态进行量子纠缠操作，所述bob量子通信模块用于bob测量氢原子的多种量子态以及对氢原子的量子态进行量子纠缠操作，alice量子通信模块和bob量子通信模块能够完成至少2位氢原子物理态的测量、量子纠缠操作和存储，包括量子密钥存储器，多个氢原子能够存储于量子密钥存储器中，进行集中统一管理，被存储的氢原子能够多次反复使用。

所述窃听者eve量子通信模块对量子密钥的物理态测量均会导致处于纠缠态的氢原子物理态的瞬间坍塌。

一种基于氢原子的混合量子通信方法，包括以下步骤：

步骤1，alice使用量子通信模块和相等的概率选择若干种字母表制备氢原子的量子态，生成氢原子量子态二进制位序列，作为初始密钥，并且，alice在量子信道发送该密钥给bob量子通信模块，bob量子通信模块能够随机选择或按约定来选择若干组字母表中的一组来对接收到的氢原子量子态进行测量；

步骤2，alice量子通信模块与bob量子通信模块进行密钥协商；

步骤3，在量子通信有效的情况下，alice量子通信模块与bob量子通信模块通过协商量子密钥对明文进行量子加密；

步骤4，bob量子通信模块接收到加密的密文后，使用协商的量子密钥对密文进行解密，还原成明文。

在步骤2中，具体包括以下步骤：

子步骤2-1，bob量子通信模块接收到alice量子通信模块发送的原始密钥后，随机的选择若干组字母表中的一组或多组来对接收到的氢原子量子态二进制位序列进行测量，并且在经典信道中发送消息给alice量子通信模块，告知二进制位序列中的每一位分别是使用哪一组字母表进行测量；alice量子通信模块根据bob量子通信模块提供的信息，和自己使用的字母表作比较，将与bob量子通信模块使用相同字母表的位通过经典信道告诉bob量子通信模块；此时，alice量子通信模块与bob量子通信模块能够将使用了相同字母表的位记录下来；

子步骤2-2，alice量子通信模块与bob量子通信模块随机的从原始密钥中选择若干位然后去作比较，这样能够获得一个错误率，alice量子通信模块与bob量子通信模块可以通过判断错误率是否合理从而得知是否有eve存在。如果有eve窃听了alice量子通信模块与bob量子通信模块的量子通信，那么他的测量和窃听一定会导致错误率的偏高，则作废本次量子通信；如果错误率符合要求，则本次量子通信有效，alice量子通信模块与bob量子通信模块可使用剩下的量子位作为协商量子密钥。

在步骤3中，如果错误率符合要求，则本次量子通信有效，alice量子通信模块与bob量子通信模块可使用剩下的量子位作为协商量子密钥对明文进行量子加密；

alice量子通信模块使用cnot门作用在纠缠态的量子位序列a和明文m上实现对明文的加密，过程如下：

式中表示作用在量子位序列a和明文m上的第i个量子受控非门，alice量子通信模块通过经典信道将密文|ψ^c>发送给bob量子通信模块。

在步骤4中，bob接收到加密的密文后，使用协商的量子密钥对密文进行解密，还原成明文m；

bob收到密文|ψ^c>之后，运用cnot门作用在明文m和他手中的纠缠态对的量子位序列b上解密出明文，具体过程表示为：

式中表示作用在明文m和量子位序列b上的第i个量子受控非门；

最后将量子态的明文|m>转换为经典态的明文m，交由计算机进一步处理。

采用上述技术方案，能带来以下技术效果：

一、本发明能够存储和管理量子比特。不同于现有的基于飞行光子的量子通信方案，如bb84协议、b92协议、epr协议、ghz协议等的字母表中使用的光子偏振表，本发明中使用的是氢原子，氢原子能够被存储在量子存储器上反复使用，并且由于氢原子速度不再是光速，所以能够存储在量子存储器的量子比特格子中，实现了量子比特的存储及管理。氢原子是宇宙中丰度最高的同位素，无色、无味、无毒无害，在我们的宇宙中超过总数90％的原子都是氢，在自然界中容易获取和利用，制氢和储氢技术成熟；而且氢原子是世界上最小的原子，比其他的大型原子更易于得到并易于维持状态，如在现代的许多卫星和科学实验室广泛使用各种精密的氢钟。

二，本发明抗干扰能力有了显著提高。不同于bb84协议中仅使用的两组字母表，本发明中使用了12组不同氢原子物理态组成的字母表，而且通信双方对字母表的选择是随机的，所以增加字母表的数目，能够大大降低窃听者eve选择与alice或bob同一种字母表的概率。在bb84协议中，eve选择与alice或bob同一种字母表的概率为50％(只有两组字母表供选择)，即每次攻击的成功率为50％；而在本发明中，该选择概率下降至1/12(有12组字母表供选择)。带来的好处是，测量误差和环境噪声对量子通信的影响大大减小，可以不对物理态的测量提出苛刻的要求，从而大大提高了量子通信抗环境噪声的能力和抗量子干扰或抗量子噪声攻击的能力，显著提升了量子通信的安全性。另外，bb84协议要区别有噪声下的量子通信和无噪声下的量子通信，并且在量子通信中需要抛弃一些量子位；本发明不再需要区分有噪声下的量子通信和无噪声下的量子通信，通常不考虑抛弃量子位，因此，量子位利用率有了提高。

三，本发明大大提高了量子通信系统抗量子攻击能力，显著降低了通信失败几率。在量子通信中，同样存在拒绝服务(denial-of-service)量子攻击和中间人量子攻击。但在本通信系统中，假如eve实施量子拒绝服务攻击，在整个过程中100％持续不间断实施窃听，在1位密钥下每次只有1/12的几率在12组字母表中选择正确而窃听成功，导致本次通信作废，量子密钥失效，即在1位量子密钥下拒绝服务量子攻击的成功率下降为1/12，大大低于bb84协议、b92协议、epr协议、ghz协议等中的50％。类似的，eve能够使用窃听成功的量子密钥，伪造成中间人，模仿通信双方的操作而不被发现，即在1位量子密钥下形成中间人量子攻击的成功率也下降为1/12。实际上，由于基于光子的量子通信协议对噪声要求过高，如bb84协议、b92协议、epr协议、ghz协议等中，量子攻击配合环境噪声往往导致攻击成功率远大于50％。但由于本发明使用了12组字母表，增加量子密钥位数后，带来的抗攻击能力会有更为明显的提升。例如同样在4位量子密钥情况下，且不考虑量子噪声时，bb84协议中，拒绝服务量子攻击和中间人量子攻击的成功率约为(1/2)⁴＝1/16；而在本发明中，这一成功率下降为(1/12)⁴＝1/20736，显然，本发明抗量子攻击能力的提升是极为明显的。在有量子噪声的情况下，本发明抗量子攻击能力明显更强，在实际应用中具有更好的效果。

四，本发明的经典信道和量子信道均能够完成双向量子通信。不同于经典的量子通信使用单向信道，即只有一方才能发射纠缠光子量子态，本发明的氢原子量子信道和经典信道均为双向，通信双方需要最少一对氢原子即能够实现类似于全双工的通信方案，可以同时互相发送纠缠态量子信息，相比经典的半双工的光量子通信方案，本发明至少提高了1倍通信容量和通信速度，同时也大大提高了量子通信的可靠性。

五，本发明设计难度小，升级成本低。由于使用了量子信道与经典信道进行混合通信，结合了经典信道传输密文与量子信道传输密钥各自的优势，能够兼容现有的经典通信网络和网络通信协议，通过扩展量子通信模块就能够实现升级改造，升级成本较低，难度较小，令通信过程更加容易实现，通信信息能够直接传输给经典计算机处理。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明的混合量子通信结构图；

图2为本发明的字母表示意图；

图3为本发明的通信方法流程图。

具体实施方式

如图1所示，一种基于氢原子的混合量子通信方法，它包括alice量子通信模块101、bob量子通信模块102，alice量子通信模块101与bob量子通信模块102之间形成两条通信通道，其中一条通信通道包括经典信道104，alice量子通信模块101与经典信道104、bob量子通信模块102依次连接进行通信，其中另一条通信通道包括量子信道105，alice量子通信模块101与量子信道105、bob量子通信模块102依次连接进行通信，alice量子通信模块101与bob量子通信模块102既可作为发送方也可以作为接收方，经典信道104与量子信道105能够进行双向量子通信，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，能够有效防止窃听者eve量子通信模块的窃听，提高量子通信的安全性和抗干扰性。

本发明能够兼容现有的经典的通信网络和网络通信协议，包括各类有线介质网络和无线介质网络，能够在其中传输经量子加密的经典信息，也能够读取其中未经量子加密的经典信息；有线介质网络包括双绞线网络、铜轴电缆网络、光纤通信网络等各类广域网、局域网、城域网；无线介质网络包括各类微波通信网络、激光通信网络、wifi、蓝牙、zigbee、红外等各类无线传输网络；现有的经典通信网络通过增加量子通信模块便可升级为本发明所述的一种基于氢原子的混合量子通信方法，具有成本低、实施方便、兼容性好等特征；

优选地，经典信道使用经典的互联网通信协议；也能够读取、计算和处理量子信道中的量子信息，并维持量子信道的运行，优选地，使用基于量子纠缠的通信协议；也能够完成信息在经典信道和量子信道中的互相读取、计算、转换和互相传送，以及经典通信协议和量子通信协议的转换；量子存储器为存储量子信息的非经典存储器，优选地，为氢原子存储器。

所述alice量子通信模块，同时与经典信道和量子信道相连，进一步与bob量子通信模块相连并进行通信，alice量子通信模块用于alice测量氢原子的多种量子态以及对氢原子的量子态进行量子纠缠操作；进一步地，alice量子通信模块能够随机选择氢原子量子态字母表中的任意一组制备一位或多位量子态进行量子通信，也能够测量字母表中的不同物理态；进一步地，通过频率调制制备氢原子量子比特、或振幅和相位调制制备氢原子量子比特，由于氢原子的12组字母表的物理态为共轭量，包括位置、远近、塞曼能级、运动速度、自旋方向、自旋速度、电子温度，电子数，中子数，随机产生的字母表之间符合测不准关系；进一步地，能够对2个以上氢原子使用不同的调制方式制备不同的量子态组成多位初始量子密钥，并对氢原子使用量子纠缠操作进行信息传输；进一步地，可以对多个氢原子(2个以上)制备成多粒子纠缠物理态，供多台(2台以上)量子通信设备之间建立多条(2条以上)量子信道进行分布式量子密钥通信。

所述氢原子量子态字母表包括多组互不相同的物理态，每组均包括|0>和|1>两种正交的物理态，如氢原子中电子位于原子核左或右，电子位于原子核上或下，电子位于原子核前或后，电子公转轨道远或近，电子绕原子核公转方向为顺时针或逆时针，电子自旋方向为顺时针或逆时针，电子塞曼效应的正常或反常，电子运动速度的快或慢，电子自旋速度的快或慢，电子温度高或低，电子数多少，中子数多少。alice量子通信模块能够随机选择上面字母表中的任意一组构成量子密钥实现对信息的加密，并将加密后的信息通过经典信道传输给bob量子通信模块，量子密钥通过量子信道传输给bob量子通信模块；进一步地，由于使用了12组互相不同的氢原子量子态，组间编码距离大大增加，对量子态测量精度的要求也大大降低，提高了抗干扰能力；进一步地，可以由多个氢原子(2个以上)组成多位量子密钥，提高量子密钥的位数和安全性；进一步地，可以由多个氢原子(2个以上)组成多粒子纠缠，供多台量子通信设备之间进行通信。

所述bob量子通信模块，同时与经典信道和量子信道相连，进一步与alice量子通信模块相连并进行通信，bob量子通信模块用于bob测量氢原子的多种量子态以及对氢原子的量子态进行量子纠缠操作；进一步地，bob量子通信模块能够随机选择氢原子量子态字母表中的任意一组制备一位或多位量子态进行量子通信，也能够测量字母表中的不同物理态；进一步地，多个氢原子量子通信模块通过将秘密信息拆分成若干个部分，并由多个(2个以上)参与者共同管理的方法来保护信息，构成氢原子量子秘密共享。氢原子量子秘密共享能够将秘密信息以适当的方式拆分，每份可以相同大小，也可不同大小，拆分后每一个份信息由不同的量子通信模块进行氢原子量子加密和存储管理，单个量子通信模块无法恢复秘密信息，只有若干量子通信模块一同协作才能恢复秘密消息。

进一步的，所述alice量子通信模块和bob量子通信模块能够完成多位(2位以上)氢原子物理态的测量、量子纠缠操作和存储，alice量子通信模块和bob量子通信模块，以及窃听者eve量子通信模块对量子密钥的物理态测量均会导致处于纠缠态的氢原子物理态的瞬间坍塌；进一步地，多个氢原子能够存储于量子密钥存储器中，进行集中统一管理，被存储的氢原子能够多次反复使用。氢原子量子存储器通过多个(2个以上)纠缠操作和纠缠纯化过程，可以实现氢原子量子密钥的循环使用；进一步地，多个氢原子(2个以上)纠缠量子态具有纠错能力，通过对比处于纠缠态的多个(2个以上)量子通信模块能够发现测量误差和窃听者，接收者能够根据纠缠信息和量子幺正操作恢复原信息，并且对低于错误阈值的错误进行纠正，且纠错只用于处于纠缠态的发送者和接收者之间的经典通信。

被存储的氢原子能够多次反复使用，本身并不会被传输或消失，在混合量子通信中传输的仅是所存储的氢原子的物理态；进一步地，多个氢原子还能够构成多层次的三维立体存储体系，通过对氢原子的寻址可访问相应存储位置的氢原子物理态；进一步地，能够使用多组测量探头同时制备或测量不同氢原子量子态，能够制备或测量出12组字母表中互不相同所有的物理态；进一步地，可以由多个(2个以上)氢原子组成多位量子密钥，提高量子密钥的位数和安全性；进一步地，可以由多个(2个以上)氢原子组成多粒子纠缠，供多台(2台以上)量子通信设备之间建立多条(2条以上)量子信道进行分布式量子密钥通信；对量子态测量精度要求较低，抗干扰能力更强，实际应用价值更高，能够抵抗量子噪声干扰或量子噪声攻击。

所述alice量子通信模块作为发送方时，能够从氢原子量子态字母表中随机选择一组或多组字母构成量子密钥，完成对发送信息的加密，并通过经典信道传输加密的信息，以及通过量子信道传输量子密钥；进一步地，能够使用多个(2个以上)氢原子量子态实施连续变量的量子密钥分配，以及高性能、大批量、高速率的氢原子量子密钥分配。

alice量子通信模块作为接收方时，通信双方能够从氢原子量子态字母表中随机选择一组或多组物理态进行量子态测量，确认是否有窃听者的存在，如果测量误差大于预定数值，则认为有窃听者存在，并作废本次量子通信；如果测量误差符合预定数值，则认为无窃听者存在，进一步利用量子密钥对接收到的信息进行解密。

所述bob量子通信模块作为发送方时，能够从氢原子量子态字母表中随机选择一组或多组字母构成量子密钥，完成对发送信息的加密，并通过经典信道传输加密的信息，以及通过量子信道传输量子密钥；进一步地，能够使用多个(2个以上)氢原子量子态实施连续变量的量子密钥分配，以及高性能、大批量、高速率的氢原子量子密钥分配。

bob量子通信模块作为接收方时，通信双方能够从氢原子量子态字母表中随机选择一组或多组物理态进行量子态测量，确认是否有窃听者的存在，如果测量误差大于预定数值，则认为有窃听者存在，并作废本次量子通信；如果测量误差符合预定数值，则认为无窃听者存在，进一步利用量子密钥对接收到的信息进行解密。

所述eve量子通信模块，为窃听者eve使用的量子通信设备，用于窃听alice量子通信模块与bob量子通信模块之间通过经典信道传输的加密信息和量子信道传输的量子密钥；

当eve不窃听时，eve量子通信模块对alice量子通信模块与bob量子通信模块之间的量子通信不产生干扰；

若eve进行窃听时，eve量子通信模块能够通过量子纠缠操作和量子态测量操作获取alice量子通信模块与bob量子通信模块之间的通信信息，包括通过经典信道传输的加密信息和通过量子信道传输的量子密钥；由于eve并不知道通信双方alice与bob采用的是氢原子量子态字母表中哪一组，只能随机选择字母表进行测量以获取量子态，eve测量的同时导致alice量子通信模块与bob量子通信模块的量子密钥的物理态瞬间坍塌；进一步，不同于通常使用光子物理态的量子通信方案，所述氢原子量子态字母表多达12组，所以大大降低了eve和alice或bob选择同一组的几率，极大减少了eve窃听导致量子态坍塌的概率和通信失败的几率，从而提高了量子通信的抗干扰能力和抗攻击能力。

所述经典信道，是一种不使用量子纠缠操作的信道，用于alice和bob进行密钥的协商，以及传输加密后的信息；alice与bob在经典信道协商好密钥之后，发送方使用量子密钥加密所需传输的信息，并在经典信道中进行加密信息的传输，接收方在收到加密的信息之后，利用已经协商好的量子密钥对加密信息进行解密，最终得到对方所传输的正确信息。

所述量子信道，是一种使用量子纠缠操作构成的信道，是alice与bob传输量子密钥的通道；发送方在氢原子量子态字母表随机选择一组或多组构成量子密钥，bob通过氢原子的量子纠缠操作和量子信道测量本次通信所用的量子密钥；如果有窃听者，将导致物理态的坍塌，造成本次测量误差较大，则作废本次量子密钥失效和本次量子通信；如果无窃听者，或本次测量误差符合要求，则双方确认本次量子信道是安全的，本次量子密钥有效，发送方使用量子密钥加密所需传输的信息；之后，通信双方使用经典信道完成加密信息的发送、接收、和解密。

一种基于氢原子的混合量子通信方法，包括以下步骤：

步骤1，alice使用量子通信模块(101)和相等的概率选择若干种字母表制备氢原子的量子态，生成(一位或多位)氢原子量子态二进制位序列，作为初始密钥，并且，alice在量子信道发送该密钥给bob量子通信模块(102)，bob量子通信模块(102)能够用来随机选择或按约定来选择若干组字母表中的一组或几组来对接收到的氢原子量子态进行测量；

步骤2，alice量子通信模块(101)与bob量子通信模块(102)在经典信道进行氢原子量子密钥协商；

步骤3，在量子通信确认有效的情况下，alice量子通信模块(101)与bob量子通信模块(102)通过协商的氢原子量子密钥对明文进行量子加密，并在经典信道传输加密后的密文信息；

步骤4，bob量子通信模块(102)接收到加密的密文信息后，使用协商的氢原子量子密钥对密文进行解密，还原成明文。

在步骤2中，具体包括以下步骤：

子步骤2-1，bob量子通信模块(102)接收到alice量子通信模块(101)发送的原始密钥后，随机的选择若干组字母表中的一组或多组来对接收到的氢原子量子态二进制位序列进行测量，并且在经典信道中发送消息给alice量子通信模块(101)，告知二进制位序列中的每一位分别是使用哪一组字母表进行测量，但不告知测量结果；alice量子通信模块(101)根据bob量子通信模块(102)提供的信息，和自己使用的氢原子量子态字母表作比较，将与bob量子通信模块(102)使用相同氢原子量子态字母表的位通过经典信道告诉bob量子通信模块(102)；此时，alice量子通信模块(101)与bob量子通信模块(102)能够将使用了相同字母表的位记录下来；

子步骤2-2，alice量子通信模块(101)与bob量子通信模块(102)随机的从原始密钥中选择若干位然后去作比较，这样能够获得一个错误率，alice量子通信模块(101)与bob量子通信模块(102)可以通过判断错误率是否合理从而得知是否有eve存在。如果有eve窃听了alice量子通信模块(101)与bob量子通信模块(102)的量子通信，那么他的测量和窃听一定会导致错误率的偏高，可设定一个错误率阈值，超过该错误率阈值则作废本次氢原子量子通信；如果错误率符合要求，则本次量子通信有效，alice量子通信模块(101)与bob量子通信模块(102)可使用剩下的氢原子量子位作为协商量子密钥。

在步骤3中，如果错误率符合要求，则本次量子通信有效，alice量子通信模块与bob量子通信模块可使用剩下的量子位作为协商量子密钥对明文进行量子加密。

优选地，alice量子通信模块使用cnot门作用在纠缠态的量子位序列a和明文m上实现对明文的加密，过程如下：

式中表示作用在量子位序列a和明文m上的第i个量子受控非门，alice量子通信模块通过经典信道将密文|ψ^c>发送给bob量子通信模块。

在步骤4中，bob接收到加密的密文后，使用协商的量子密钥对密文进行解密，还原成明文m；

bob收到密文|ψ^c>之后，运用cnot门作用在明文m和他手中的纠缠态对的量子位序列b上解密出明文，具体过程表示为：

式中表示作用在明文m和量子位序列b上的第i个量子受控非门；

最后将量子态的明文|m>转换为经典态的明文m，交由计算机进一步处理。

以上实施方式仅适用于说明本公开，而并非对公开的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本公开的精度和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本公开的范畴，本公开的专利保护范畴应自权利要求限定。