基于量子密钥的多时滞非相邻耦合格子对称密钥生成方法

本发明属于信息安全，涉及一种新型的对称密钥生成方法，具体涉及一种基于量子密钥的多时滞非相邻耦合格子对称密钥生成方法。

背景技术：

1、量子密钥是基于量子力学的概念，利用量子系统的特性生成与量子态相关联的随机密钥。量子密钥具有完全安全性、信息不可复制、即时检测和长期安全性等优点，这些优点使其成为一种极具潜力的加密技术。然而，量子密钥生成过程也具有一些缺点，其中之一是其较低的生成速率。这是由于量子态传输和测量中存在技术限制所致。限制了每秒只能生成有限数量的密钥。对于需要大量密钥的应用，该缺点可能导致操作效率下降。

2、伪随机数发生器大部分是由线性同余生成法、m序列生成法、非线性同余生成法、mersenne twister生成算法、bbs序列生成算法和序列密码算法生成。这些伪随机生成器在计算机硬件中计算效率非常高，但因其具有密钥周期短、统计不均匀等特点导致伪随机数序列的质量令人担忧。

3、基于混沌理论设计的伪随机生成器成为了新的研究热点，混沌系统的非线性、非周期性、遍历性、类噪声性、初值项敏感性和不可预测性等性质为伪随机发生器提供了理论基础。基于多时滞非相邻耦合格子的新型伪随机数生成方法(专利号：cn202210445955.2)，是针对现有技术中混沌系统出现的短周期现象、参数范围狭窄和空白窗口等问题，提出的一种新型伪随机数生成方法。该方法包括以下步骤：级联logistic映射和分段线性映射(pwlcm)生成混沌序列；使用无迹卡尔曼滤波算法对chebyshev映射和logistic映射进行误差测量，通过添加随机扰动来补偿精度损失；使用时滞时变函数对非相邻耦合映射格子的时间方向进行扰动，解决混沌在迭代过程中出现的周期窗口和伪随机序列分布不均匀的问题，并且能够有效对抗混沌系统的混沌退化行为。

4、基于上述技术背景，我们认为，如使用量子密钥作为种子来驱动基于多时滞非相邻耦合格子的新型伪随机数生成器，可以利用量子密钥的高安全性和伪随机数发生器的高速生成能力，实现更快速的安全密钥生成。

技术实现思路

1、为解决背景技术中存在的问题，本发明提供了基于量子密钥的多时滞非相邻耦合格子对称密钥生成方法，根据量子密钥设置基于多时滞非相邻耦合格子伪随机数发生器参数；使用基于多时滞非相邻耦合格子伪随机数发生器生成随机数矩阵；根据量子密钥和随机数矩阵生成对称密钥序列。

2、为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、基于量子密钥的多时滞非相邻耦合格子对称密钥生成方法，包括如下步骤：

4、s1，获取量子密钥序列，根据量子密钥初始化基于多时滞非相邻耦合格子伪随机数发生器的参数；

5、s2，根据步骤s1初始化的参数，运行基于多时滞非相邻耦合格子伪随机数发生器，生成随机数矩阵；

6、s3，根据量子密钥确定对称密钥生成规则，将随机数矩阵按照该规则转换成二进制序列，并根据该规则生成对称密钥。

7、进一步的，所述步骤s1包括如下子步骤：

8、s11，获取量子密钥序列，将其转换为二进制序列；

9、s12，根据步骤s11转换得到的二进制序列初始化基于多时滞相邻耦合格子的伪随机数发生器的参数值；

10、s13，使用初始化的参数值驱动三个函数生成无迹卡尔曼logistic向量、无迹卡尔曼chebyshev向量和无迹卡尔曼sine向量。

11、进一步的，所述步骤s12中的参数值包括：格子数l，迭代次数n，初始值i，chebyshev控制参数cchebyshev，logistic控制参数clogistic,sine控制参数csine。

12、进一步的，所述步骤s2包括如下子步骤：

13、s21，使用s1确定的参数值，使用无迹卡尔曼滤波器对logistic方程和chebyshev方程进行非线性预测，得到logistic和chebyshev的状态估计值；

14、s22，构造时变系统，生成扰动权重将步骤s21得到logistic和chebyshev的状态估计值代入时滞时变函数得到扰动权重；将计算的扰动权重值和步骤s13生成的初始向量值相加；

15、s23，将步骤s21和步骤s22计算得到的扰动权值、状态估计值代入非相邻耦合格子函数中，计算生成随机数矩阵。

16、进一步的，所述步骤s3包括如下子步骤：

17、s31，根据量子密钥二进制序列确定随机数拼接方法和随机数旋转位数；

18、s32，将随机数矩阵数值转换成二进制数值，使用步骤s31确定的拼接方法将随机数的二进制数值拼接组成二进制序列，并将随机数序列旋转步骤s31确定的位数；

19、s33，根据量子密钥二进制序列确定对称密钥生成起始位，按照密钥长度逐个生成密钥。

20、进一步的，所述s33中生成密钥时将二进制序列截取为多个对称密钥并编号，最后不足一个密钥长度的，使用0序列补全。

21、与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

22、本发明利用量子密钥作为种子，在量子密钥密钥生成器两端驱动基于量子密钥的多时滞非相邻耦合格子的随机数发生器，从而生成对称密钥。本发明能够保证对称密钥的安全性，快速生成安全密钥，有效地弥补了量子密钥生成速率低的问题。本发明使用512bit量子密钥作为种子驱动伪随机数生成器，可以至少生成512000bit对称密钥，系统运行时间为10秒钟，本发明的密钥扩充倍率为100倍。本发明生成的密钥能够运用于基于无线网络的物联网设备的安全通信等场景，有效扩大了量子密钥的应用范围。

技术特征：

1.基于量子密钥的多时滞非相邻耦合格子对称密钥生成方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于量子密钥的多时滞非相邻耦合格子对称密钥生成方法，其特征在于，所述步骤s1包括如下子步骤：

3.根据权利要求2所述的基于量子密钥的多时滞非相邻耦合格子对称密钥生成方法，其特征在于，所述步骤s12中的参数值包括：格子数l，迭代次数n，初始值i，chebyshev控制参数cchebyshev，logistic控制参数clogistic,sine控制参数csine。

4.根据权利要求1所述的基于量子密钥的多时滞非相邻耦合格子对称密钥生成方法，其特征在于，所述步骤s2包括如下子步骤：

5.根据权利要求1所述的基于量子密钥的多时滞非相邻耦合格子对称密钥生成方法，其特征在于，所述步骤s3包括如下子步骤：

6.根据权利要求5所述的基于量子密钥的多时滞非相邻耦合格子对称密钥生成方法，其特征在于，所述s33中生成密钥时将二进制序列截取为多个对称密钥并编号，最后不足一个密钥长度的，使用0序列补全。

技术总结
本发明提供了基于量子密钥的多时滞非相邻耦合格子对称密钥生成方法，包括：获取量子密钥序列，根据量子密钥初始化基于多时滞非相邻耦合格子伪随机数发生器的参数；根据步骤S1初始化的参数，运行基于多时滞非相邻耦合格子伪随机数发生器，生成随机数矩阵；根据量子密钥确定对称密钥生成规则，将随机数矩阵按照该规则转换成二进制序列，并根据该规则生成对称密钥。本发明利用量子密钥作为种子，在量子密钥密钥生成器两端驱动基于量子密钥的多时滞非相邻耦合格子的随机数发生器，从而生成对称密钥。本发明能够保证对称密钥的安全性，快速生成安全密钥，有效地弥补了量子密钥生成速率低的问题。

技术研发人员：陈立全,胡致远,张子燕,杨波,沈焦睿,郭逸凡
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/8