基于混沌序列的量子加密方法与流程

本发明涉及量子加密领域，具体涉及一种基于混沌序列的量子加密方法。

背景技术：

随着网络应用的不断增加，网络安全问题变得日益突出。与基于单光子量子密钥分配的加密技术相比，基于量子噪声的物理层加密技术更适用于长距离大容量光纤通信系统。

量子噪声加密技术(qsc:y-00quantumstreamcipher)是将低阶调制信号与基底信号联合调制为高阶信号，利用高阶信号对噪声敏感的特点，将低阶信号成功地隐藏在噪声中。

传统技术存在以下技术问题：

量子噪声加密技术的挑战在于多电平电信号的产生及高阶调制隐藏信号的解码。受益于高精度数模转换器的快速发展，多电平电信号的产生不再是一个技术难题。而如何从高阶调制伪噪声信号中成功恢复出原始低阶调制信号是该技术的难点。此外，如何对量子噪声加密系统中的长密码序列进行安全传输，降低被破解风险是该技术进一步实用化的前提。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种基于混沌序列的量子加密方法，考虑到量子噪声加密系统中长密码序列的被破解风险及安全传输难度，本发明提出并仿真验证了一个基于混沌序列的量子加密系统。与传统量子加密系统相比，该方法利用混沌函数产生长的混沌序列做为量子加密系统的密码序列及基底信号，实现了低信噪比条件下明文信号的安全解码，增强了传统量子噪声加密系统的实用性及加密性能。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于混沌序列的量子加密方法，包括：

通过将混沌状态下的混沌序列进行量化判决可产生足够长的二进制序列，用做量子噪声加密系统的密钥信息，量化判决函数如下：

利用混沌序列，发送方和接收方只要共享3个关键参数：迭代次数，logisticmap系数及混沌序列长度即可自行生成匹配的密码序列。

一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现任一项所述方法的步骤。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现任一项所述方法的步骤。

一种处理器，所述处理器用于运行程序，其中，所述程序运行时执行任一项所述的方法。

本发明的有益效果：

该系统可用于对大容量长距离光纤通信系统进行物理层加密，提升通信系统安全性。与传统量子加密系统相比，本发明考虑到长密码序列的被破解风险及安全传输难度，利用混沌函数产生长的混沌序列做为量子加密系统的密码序列，这样只需在合法收发方之间共享混沌函数的关键参数，即可实现信息的安全解码。为了进一步增强系统的实用性及加密性能，本发明将用于密码序列的混沌序列一部分用做加密系统基底信号，提升隐藏信号的解码性能，实现了低信噪比条件下明文信号的安全解码。

附图说明

图1是本发明基于混沌序列的量子加密方法中的量子噪声加密技术示意图。

图2是本发明基于混沌序列的量子加密方法中的量子噪声加密qpsk/64qam原理示意图。

图3(a)、(b)、(c)和(d)分别是基于传统量子加密方法中误码判决门限处16-qam，64-qam，256-qam和1024-qam信号星座图。

图4是本发明基于混沌序列的量子加密方法中的微小变化初值条件下的混沌序列。

图5是本发明基于混沌序列量子加密方法中的不同调制信号的ber曲线。

图6是本发明基于混沌序列的量子加密方法中的改进解码情况下不同调制信号的ber曲线。

图7(a)、(b)、(c)和(d)分别是本发明基于混沌序列的量子加密方法中改进解码情况下的qpsk信号误码判决门限处16-qam，64-qam，256-qam和1024-qam信号星座图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

量子噪声加密技术原理

基于伪多进制的量子噪声加密流程如图1所示。首先，将明文二进制序列通过与明文相同长度的密钥序列进行异或操作之后映射到低阶qam信号。其次，将随机产生的二进制序列作为基底与低阶信号进行整合，从而产生用于传输的高阶qam信号，也就是密文。在接收到密文信息之后，窃听者只能看到高阶的qam信号，由于高阶qam信号对噪声敏感，在信噪比较低情况下，窃听方无法对高阶qam密文信号进行有效解调，更无法触及经过编码的明文信号。合法接收方却可以使用密钥从低阶qam信号中成功解码出明文信息，从而实现信息的安全传输。

将低阶qam信号隐藏在高阶qam的原理示意图如图2所示。图2是将qpsk信号隐藏在64-qam信号之中。星座图中蓝色星座点代表的信号i，q分量分别为110，101，其中i，q的第一位1，1是明文和密钥异或之后的结果。在忽略i，q分量的后两位情况下，初次加密的信号是qpsk信号。同时，i，q分量的后两位10，01则是随机生成的基底。在接收端，在恢复出64-qam信号的第一位信息之后，将其异或加密用的密钥序列，即可恢复出所需要的明文信息。对于窃听者而言，在未知密钥，低阶和高阶调制格式的情况下，无法对明文信息进行破解，其加密安全性已在理论上进行证明。

量子噪声加密系统仿真及讨论

传统量子加密系统

本发明仿真了一个量子噪声加密系统，明文和密钥异或后的信号序列调制为qpsk信号，然后设置随机基底i，q序列位数分别为1，2，3，4。这样可以将qpsk信号分别隐藏在16-qam，64-qam，256-qam及1024-qam中，在误码判决门限3.8×10^-3处各信号的星座图如图3所示。与仿真系统相比，实际光纤通信系统器件及长距离传输光纤的动态非线性噪声会进一步加速信号质量的恶化。当密文信号调制格式比较低(如16-qam)，在高信噪比情况下，窃听者能够对密文信号进行成功解调，在获取密钥序列的前提下，能够成功破解密文而获取明文信息。因此，密钥序列信息的安全传输至关重要。

然而，当传输的密文信息过多时，密钥序列也随之增加。在密钥序列过长情况下，密钥序列的安全传输将成为量子噪声加密系统的挑战。已报道的文献并未考虑密钥传输问题。

基于混沌序列的量子加密系统：

针对长密钥容易被破解，难以安全传输问题。本发明提出利用混沌信号作为量子噪声加密系统的密钥。混沌序列拥有初值灵敏性和遍历性的特点，当满足(公式1)时，经过足够的迭代次数之后，混沌函数将进入混沌状态，初始值的微小变化都会给输出带来很大的影响，如图4所示。公式1中n为迭代次数，μ为logisticmap系数。

通过将混沌状态下的混沌序列进行量化判决可产生足够长的二进制序列，用做量子噪声加密系统的密钥信息，量化判决函数如下：

利用混沌序列，发送方和接收方只要共享3个关键参数，迭代次数，logisticmap系数及混沌序列长度即可自行生成匹配的密码序列。基于此方案，仿真测试了不同调制情况下量子噪声加密系统的误码性能，如图5所示。在仿真中，首先将明文序列和基于混沌序列的密钥序列异或后的信号序列调制为qpsk信号。接下来设置随机基底i，q序列位数分别为1，2，3，4，这样将qpsk信号分别隐藏在16-qam，64-qam，256-qam及1024-qam中。在接收端，利用混沌函数的3个关键参数生成密钥混沌序列，对原始的明文信号进行解码。

图5是基于混沌序列的量子加密系统在不同调制格式情况下的误码率(ber)曲线。其中，点线是无隐藏信号时的qpsk/16-qam/64-qam/256-qam/1024-qam信号误码率曲线，实线是对应着有qpsk信号隐藏时解码获得qpsk信号的误码率曲线。

从图5可以看出，随着调制阶数的增加，信号对噪声的容忍度变差。高阶调制信号在高信噪比情况下才能被成功解调，而在实际光纤通信系统中，由于光电器件、光放大器及光纤信道的噪声，高阶信号(如256-qam及1024-qam)很难达到解码要求的信噪比，因此可以有效地增强信号传输的保密性。然而，对已知密钥序列的合法接收方，当信号信噪比受限时，也无法正确解码获取明文信息，如图5中实线所示。对高阶调制信号高信噪比的要求将限制该系统的实际应用。

为了增强系统的实用性，降低对高阶调制信号解调的高信噪比要求。本发明提出了利用密钥混沌序列做为基底信号的优化方案。在图2中，基底信号是随机产生的二进制序列，收发双方无需获知基底序列信息，只是用其增加调制信号阶数，将真正要传输的信号隐藏到高阶调制信号中。由于混沌函数可以产生足够长的序列，因此混沌序列中的一部分可用于与明文异或加密操作，另外部分可用做量子噪声加密系统的基底。由于混沌序列具有更好的随机性，完全符合基底信号的要求，而窃听方也无法获知基底信号序列。但对合法接收方而言，由于事先获知混沌函数的3个关键参数，可以自行计算获取量子噪声加密系统的基底信号序列，从而可以提高解码准确性，误码率曲线如图6所示。

从图6中可以看出，从隐藏高阶调制信号恢复出的qpsk信号的误码性能非常接近原始的qpsk信号，如图6中实线所示。在qpsk信号的误码判决门限3.8×10^-3处各信号的星座图如图7所示。

这样，即使在低信噪比条件下，合法接收方也可以成功解码低阶调制信号获取明码信息。而对窃取方而言，在此条件下，根本无法解调高阶调制信号，更无法解码低阶调制信号获取明码信息。因此，该方法可进一步增强加量子加密系统的加密性能。

结论

本发明提出并仿真验证了一个基于混沌序列的量子加密系统，该系统可用于对大容量长距离光纤通信系统进行物理层加密，提升通信系统安全性。与传统量子加密系统相比，本发明考虑到长密码序列的被破解风险及安全传输难度，利用混沌函数产生长的混沌序列做为量子加密系统的密码序列，这样只需在合法收发方之间共享混沌函数的关键参数，即可实现信息的安全解码。为了进一步增强系统的实用性及加密性能，本发明将用于密码序列的混沌序列一部分用做加密系统基底信号，提升隐藏信号的解码性能，实现了低信噪比条件下明文信号的安全解码。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。