一种利用物质波实现加密扩容低延迟通信的方法与流程

本发明涉及通信技术，尤其涉及一种利用物质波通信的方法。

背景技术：

随着通信技术的不断发展，有线和无线通信的质量和带宽都有很大的提高。但是，当前的通信技术主要使用电磁波的频率和幅度变化传递信息，或者使用激光的强度变化传递信息，容易被截取和窃听。同时，人类社会对通信速度的要求越来越大，追求更高的带宽和频率面临不断增大的技术困难和成本。另外，在实时通信和深空探索领域，对低延迟通信有很强的需求，由于信号传播受到光速限制，延迟无法降低，严重影响技术应用和效果。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术存在的不足之处，提供一种利用物质波实现加密扩容低延迟通信的方法，实现基于量子力学原理的信息加密、扩容和低延迟通信。

为实现上述发明目的，本发明使用一种利用物质波实现加密通信的方法。其特征在于：

1)使用两束或两束以上互相相干的，且编码了通信信息的粒子束，可以通过粒子束强度变化编码信息，也可以通过电磁波信号编码信息，没有编码信息视为编码了空信息，其中，粒子束指量子物理学中存在波粒二象性的微观粒子组成的集合，相干粒子束指量子物理学中两束粒子束包含的物质波可以发生干涉。2)在接收信号的位置设置信号接收器，这是一种能够识别粒子束的物质波变化，且能够识别特征1描述的相干粒子束编码的通信信息，并输出信号的装置。3)保证特征1描述的相干粒子束全部到达信号接收器，当这些粒子束保持相干状态时，可以在信号接收器处发生物质波干涉。4)当特征1描述的相干粒子束在信号接收器处的物质波发生变化时，信号接收器能够识别这种变化，并输出信号。

另外，本发明基于上述加密方法，提供一种实现通信扩容的方法。其特征在于：

1)在发射信号的位置设置物质波信号调制器，这是一种能够根据输入信号，决定是否探测或干扰粒子束的装置，其中，探测指识别粒子是否经过探测器所在位置，干扰指让粒子的物质波发生变化。2)使至少一束粒子束首先途径物质波信号调制器，然后到达信号接收器。3)信号输入物质波信号调制器，使得信号接收器处的粒子束随着输入信号的变化，在是否发生物质波干涉之间切换，从而被信号接收器识别，并还原出输入信号。

另外，本发明基于前述加密方法，提供一种实现低延迟通信的方法。其特征在于：

1)在发射信号的位置设置物质波信号调制器，这是一种能够根据输入信号，决定是否探测或干扰粒子束的装置，其中，探测指识别粒子是否经过探测器所在位置，干扰指让粒子的物质波发生变化。2)增加至少一束新的粒子束，这些新增加的粒子束与前述方法中所描述的粒子束相干，但区别在于其首先途径物质波信号调制器，且最后可以不到达信号接收器。3)信号输入物质波信号调制器，使得信号接收器处的粒子束随着输入信号的变化，在是否发生物质波干涉之间切换，从而被信号接收器识别，并还原出输入信号。

下面具体说明本发明的实现原理，以及新颖性、创造性、实用性。

本发明的核心原理（图1为一种范例）是使用多束互相相干的粒子束传输信号，并且使多束粒子束在信号接收器处汇集，形成物质波干涉和特殊的粒子空间概率分布，使用信号接收器识别这种分布的变化。其中，粒子束指量子物理学中存在波粒二象性的微观粒子组成的集合，相干粒子束指量子物理学中两束粒子束包含的物质波可以发生干涉。

多束粒子束相干有多种实现方式，常见的两种实现方法是单个粒子同时存在于多束粒子束中（路径叠加态），或者互相处于纠缠态的粒子分别存在于多束粒子束中。对于第一种情况，一种实现方式是对单一粒子源使用分束器，得到多束粒子束，且粒子在每束粒子束之中都有出现的概率，由此实现同时存在。对于第二种情况，需要使用能产生纠缠粒子的粒子源发射粒子束，并使互相纠缠的粒子处于不同的粒子束中。无论使用何种实现相干的方式，这些相干粒子束都可以包含强度变化信号或者电磁波信号，因此粒子束本身就可以搭载常规通信技术所产生的信息。

当多束相干粒子束汇集在信号接收器时，他们的物质波可以产生干涉，形成特殊的空间概率分布，例如多束粒子束同时打在信号接收器上形成条纹状的干涉图案。在信号传输过程中，信号接收器照常接收到粒子束强度变化信号或者电磁波信号，实现通信，但是粒子束汇集形成的干涉和特殊的空间概率分布不会随着这种编码的通信信号发生变化。当有人窃听其中一束或多束粒子束时，这种测量行为会导致粒子束之间退相干，从而影响信号接收器处的物质波干涉和粒子空间概率分布，因此可以及时被信号接收器发现，做出应对措施，实现保密通信。

在基于上述方法实现的加密通信系统中，粒子束相干性变化导致物质波干涉变化，这种变化不仅可以用来发现窃听，也可以用来传播信号，因为窃听产生的干涉变化和传输信号的变化可以有明显的区别，例如窃听产生长时间连续干涉，而一般的二进制信号都是在两种状态之间频繁切换。因此，通过将需要扩容传输的通信信号，编码成粒子束相干性的变化，再由信号接收器识别这种相干性变化带来的物质波干涉，输出原信号，即可实现在原粒子束携带的信息基础上，增加独立的通信信道传递信息。将这种实现粒子束相干性变化的编码装置称为物质波信号调制器，它的编码的方式可以采用对粒子束的探测或干扰，其中，探测指识别粒子是否经过探测器所在位置，干扰指让粒子的物质波发生变化，这两种操作都会影响粒子束之间的相干性，从而影响在信号接收器处的物质波干涉状态，使得粒子空间概率分布随着通信信号发生变化，被接收器识别后转换成发射信号输出，实现扩容通信。

在基于前述方法实现的加密通信系统中，从一束粒子束被探测干扰到所有粒子束退相干，所用的时间很短，这种变化是非定域性的，传播速度高于光速。因此，可以增加至少一束新的粒子束，这些新增加的粒子束与前述方法中所描述的粒子束相干，但区别在于其通向信号发射地设置的物质波信号调制器，且最后可以不用到达信号接收器。将需要传输的通信信号，编码成途经信号发射地的粒子束相干性变化，这种变化会使通向信号接收器的其它粒子束的相干性发生变化，且从信号发射地影响到其它粒子束相干性的速度可以高于光速，利用这种特性，使信号迅速跨越从信号发射地到通向信号接收器的粒子的这段距离。最后，当通向信号接收器的粒子束到达信号接收器时，他们的相干性变化可以被识别，并还原出发射的信号，实现低延迟通信。

目前，在基于光子（光纤、无线电）、电子等粒子束的传统通信系统中，信号被编码成粒子束强度变化（激光闪烁等）或者电磁波信号（调频、调幅等），容易被截取和窃听。最新的量子通信技术解决了大部分安全性问题，但是它本质上使用的依然是传统的通信方式传递具体信息（将联合测量状态通过光纤传输再解码），并且它的保密原理是基于量子纠缠粒子对分发密钥，通过密钥算法和密钥无法截取实现保密通信。本发明与上述技术不同，其核心是通过物质波干涉变化影响粒子空间概率分布变化，利用这种变化实现加密和传递信息，目前没有相关的应用和方法，因此具备新颖性。

在加密方面，本发明不同于传统通信系统的算法加密，也不同于量子通信使用的量子纠缠密钥分发加密，其特点是利用相干粒子束受到探测会退相干的基本原理，借助物质波干涉状态变化及时的发现通信路径上的窃听行为，不依赖任何算法和密钥，且不会再信号传输途中自行退相干，因此具备创造性。在扩容通信方面，本发明使用粒子束的物质波干涉变化传递信息，在传统的通信信号载体之外使用了一种全新的通信信号传输方式，与原有的通信信号互相独立，增加了独立的信道，可以在现有的通信设施基础上直接提高总带宽，因此具备创造性。在低延迟通信方面，本发明利用量子非定域性，通过在信号发送端引发退相干，导致远距离粒子相干性变化，再利用干涉探测识别这种变化，使信号超光速跨越长距离传递，实现低延迟通信，因此具备创造性。

本发明提供了一种全新的加密通信方法，还实现了扩容和低延迟通信，对增强信息安全、扩大通信带宽和降低通信延迟有重大作用，且其涉及到的相关元器件均已实现应用，并且有很大的研发投入，性能在逐步提升的过程中，因此本发明具备实用性。

附图说明

为了进一步说明而不是限制本发明的实现方式，下面结合附图举例说明具体实施方式包含的部分可行方案，从而使本发明的细节和优点更为明显。

图1是本发明核心原理的一种范例。图2是本发明基于光通信系统的一种具体实施方式架构图。图3是本发明实现低延迟通信的一种具体实施方式架构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

图2是本发明基于光通信系统的一种具体实施方式架构图。通信信号通过光信号发射端转换成激光信号，在通过分束器将激光信号分成两束互相相干的激光信号，光子有一定的概率通过其中任何一束光。两束激光信号在信号接收器处相遇，产生物质波干涉条纹，信号接收器可以识别条纹的种类，以及激光信号传递的信息，并转换成信号输出。当分束器到信号接收器之间存在窃听时，信号接收器处的干涉条纹发生变化，因此信号接收器能够识别窃听，并输出信号。在分束器到信号接收器之间插入物质波信号调制器，例如一个根据输入的二进制信号开关的光子探测器。将扩容的通信信号转换成二进制信号，控制光子探测器的开关，信号接收器处的干涉条纹随之发生变化，因此可以被识别并还原成扩容的通信信号并输出。

图3是本发明实现低延迟通信的一种具体实施方式架构图。粒子束发射源发射的粒子束，在分束器被分成三束互相相干的粒子束，粒子有一定概率通过其中任何一束粒子束的路径。其中两束粒子束在信号接收器处相遇，产生干涉条纹，信号接收器可以识别条纹的种类，并转换成信号输出。在信号发射地设置物质波信号调制器（其原理与前述相同），使另一束粒子束途径物质波信号调制器，并且保证当这束粒子束到达物质波信号调制器时，另两束粒子束接近信号接收器，但是还未到达信号接收器。将通信信号输入物质波信号调制器，三束相干粒子束的干涉状态会随之变化，且这种相干状态的互相影响速度可以高于光速。当干涉状态发生变化的粒子束到达信号接收器时，干涉条纹随之发生变化，因此可以被识别并还原成发射的通信信号并输出。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。