一種基于量子密鑰分發的文本加密傳輸系統*

韓 楓，蔣韶生

一種基于量子密鑰分發的文本加密傳輸系統*

韓 楓，蔣韶生

（深圳職業技術學院 人工智能學院，廣東 深圳 518055）

在量子密鑰分發系統的基礎上，開發出基于量子密鑰加密的文本傳輸系統．該系統利用分發系統分發的量子密鑰，對需要加密的安全文本采用量子技術進行加密、解密．試驗結果表明，在數據量較小的文本傳輸即時通信方面，該文本加密系統可實現無條件安全的加密傳輸，適合量子信息傳輸方向的實驗教學．

量子密鑰分發；文本傳輸；加密

量子保密通信也即量子密碼通信，它是由經典密碼理論與量子力學的基本原理相結合而產生的．但與經典的數學密碼不同的是，量子密碼在量子計算機面前仍然能夠保證絕對的通信安全性．由于量子保密通信在實現信息交互方面，具有無條件的安全性，所以，量子保密通信的研究具有重大的意義．

世界各國都在積極探索量子保密通信技術，在技術上走在前沿的主要是中國和美國．1984年，美國和加拿大最先提出BB84方案[1]，標志著量子通信領域的誕生；2003年，美國國防部高級研究計劃署領銜建設了DARPA量子通信技術試驗網絡；2004年，美國正式投入了世界上第一個量子密碼通信網絡；2009年，美國讓相距1米的離子阱中的2個獨立原子實現了量子糾纏和遠距離量子通信；2013年，美國獨立研究機構公布了環美量子通信骨干網絡項目，該項計劃為谷歌、微軟、亞馬遜等互聯網巨頭的數據中心之間的通信提供量子安全服務；2015年，美國航空航天局（NASA）計劃在其總部與噴氣推進實驗室之間建立一個遠距離光纖量子通信干線，該干線直線距離600 km，光纖皮長1000 km，擁有10個中轉基站，并計劃星地量子通信．

在量子通信技術研究及應用上，我國成為后起之秀，先后實現完成了基于BB84協議的量子通信演示實驗（1995年）、全光纖QKD（量子密鑰分配）[1-3]實驗系統（2000年）、自由量子態隱形傳輸[4-6]（2003年）．2005年，中國科大的郭光燦教授團隊在北京和天津之間實現了通信距離為125 km的光纖QKD通信系統實驗，使我國在量子通信實用化上取得了重大突破；2007年潘建偉小組實現了誘騙態QKD實驗，通信距離超過了100km；2009年潘建偉小組又將QKD實驗的通信距離擴大到了200 km，同年中國科大和清華大學合作將在自由空間進行傳輸的QKD系統擴大到16 km；2011年，中國科學院戰略性先導科技專項之一，量子科學試驗衛星啟動（這個比美國早了4年提出）；2012年組建了世界上規模最大的46節點的量子通信試驗網；2014年，世界第一條量子信息保密干線——“京滬干線”量子通信工程開工建設；2016年8月，首顆量子科學實驗衛星“墨子號”發射成功，實現了衛星和地面間的量子通信，初步建立我國廣域量子通信系統；2017年，已完成的量子保密通信“京滬干線”骨干網和“墨子號”科學試驗衛星實現天地互聯[7]．

但是，目前我國的普通高等院校在量子信息的教學并沒有緊跟時代潮流．據筆者了解，在量子信息教學，尤其是量子信息實驗教學方面，還未有普通高校在本科實驗教學中引入量子信息方面的教學內容．即便是研究生的實驗教學，引入量子信息實驗的高校也很少．這與量子信息技術在我國的飛速發展并逐步進入生產生活的實用領域是極不相稱的．筆者基于深圳職業技術學院量子信息技術聯合實驗室的量子密碼系統實驗平臺，對指導學生進行量子密碼實驗進行了有益探索．基于量子密碼實驗系統，在搭建適用于量子密鑰分發的無線經典信道的基礎上，開發出基于量子密鑰加密的文本傳輸系統．

1 量子密鑰分發系統

1.1 實驗系統構成

系統包括2個密鑰生成終端、1個可信中繼，以及1個網絡控制服務器，3部電話，3臺多媒體終端．其中可信中繼包含2個密鑰生成終端和1個數據中繼服務器．系統構成如圖1所示．

1.2 系統功能

功能1：量子密鑰生成單元在網絡控制服務器控制下實現點對點的密鑰生成．量子密鑰生成終端采用基于BB84協議系統．

功能2：量子密鑰生成后密鑰由密鑰存儲系統根據密鑰信息存儲在非易失性介質中，供用戶后期使用．用戶端的量子密鑰生成終端產生的密鑰存儲在終端中，可信中繼中的量子密鑰生成終端產生密鑰集中存儲在數據中繼服務器中．

功能3：系統中的應用有網絡控制服務器統一進行協調控制．

圖1 量子密碼實驗系統構成框圖

本系統可以提供的應用包括電話通話、文字聊天、文件傳輸．根據應用的對象分為兩大類：不經過中繼的應用和經過中繼的應用．

1.3 系統工作流程

1）設備上電：系統中首先上電的設備是網絡控制服務器，然后是網絡交換機、數據中繼服務器、量子密鑰生成終端，最后是多媒體和電話．

2）設備上線：數據中繼服務器、量子密鑰生成終端在上電后向網絡控制服務器進行設備上線登記．在登記后，設備開始正常運行，并在網絡控制服務器的控制下開始工作．

3）密鑰生成：網絡控制服務器根據數據中繼服務器、量子密鑰生成終端上報的信息，并結合密鑰生成策略，向需要生成密鑰的一對量子密鑰生成終端上報發送密鑰生成命令，量子密鑰生成終端根據密鑰生成命令信息開始密鑰生成，然后網絡控制服務器根據上報信息選擇繼續生成還是停止生成．

4）密鑰存儲：密鑰存儲系統根據密鑰生成的密鑰信息將密鑰存儲在非易失性介質中，并根據應用需要提取相應的密鑰進行使用．

5）應用：網絡控制服務器根據用戶的不同應用進行相應的流程控制，實現不同方式下的用戶應用．

2 基于量子密鑰的文本加密傳輸系統

傳輸系統的開發思路主要是利用量子密碼實驗系統中產生的量子密鑰，對量子密鑰構建密鑰池，然后從密鑰池中選取成對的量子密鑰加、解密文本信息，以此思路開發文本加密傳輸軟件．開發軟件主要是使用C++語言，利用MFC編程，分析文本傳輸所需的軟件架構和函數構造，并考慮基于無線經典信道對傳輸的量子密鑰產生的影響，最終構建出量子密鑰加密文本傳輸軟件．

2.1 文本加密傳輸系統的功能模塊

文本加密傳輸系統功能模塊如圖2所示．

1）設置源節點：設置發送方節點號；

2）設置目的節點：設置接收方節點號；

3）輸入文本：輸入要發送的文本信息；

圖2 模塊示意圖

4）明文發送：選擇以“明文”的方式發送文本信息；

5）密文發送：選擇以“密文”的方式發送信息；

6）獲取網絡狀態：獲取當前的網絡狀態；

7）顯示密文：顯示使用密鑰加密后的密文；

8）獲取密鑰：獲取量子密鑰．

文本加密傳輸系統流程如圖3所示．

文件組織見表1.

2.2 程序函數及方法

程序函數及方法如圖4所示．

圖3 系統流程圖

表1 文件組織一覽表

圖4 函數、方法一覽

3 文本加密傳輸系統運行效果

利用量子密鑰加密的文本加密傳輸系統開發完成后，應用量子密鑰加密的特性，傳輸軟件可進行文本的明文、密文傳輸．運行效果如圖5~8所示，顯示較好的傳輸與加密效果．

圖5 明文傳輸測試效果

圖6 密文傳輸測試效果

圖7 加密密鑰統計信息

圖8 加密信息處理過程

4 結 論

本文在量子密鑰分配系統組成及功能的基礎上，分析了文本加密傳輸系統的功能模塊及業務流程，重點編寫了文本加密傳輸系統實現的關鍵函數、方法，可基于量子密鑰實現文本信息的明文、密文傳輸．由于量子密鑰分發具有可檢測竊聽、與對手的攻擊資源無關等特性，基于量子密鑰分發技術的文本加密傳輸系統與傳統的信息加密方式相比，具有無條件安全的特性．

[1] Bennett C H, Brassard G. Quantum Cryptography Public Key Distribution and Coin Tossing[C]/IEEE International Conference on Computers, Systems and Signal Processing. Bangalore, India, December 10-12, 1984：175-179．

[2] Bennett C H.Quantum cryptography using any two nonorthogonal states[J]., 1992，68：3121-3124．

[3] Ekert A K. Quantum cryptography based on Bell’s theorem[J]., 1991，67（5）：661-663．

[4] Bennett C H, Brassard G, Crépeau C, et al. Telepor- ting an unknown quantum state via dual classical and Einstein-Podolsky-Rosen channels[J]., 1993，70：1895-1899．

[5] Bouwmeester D, Pan J W, Mattle K, et al. Experimental quantum teleportation[J]., 1997，390：575-579．

[6] Boschi D, Branca S, De Martini F, et al. Experimental realization of teleporting an unknown pure quantum state via dual classical and Einstein-Podolsky-Rosen channels[J]., 1998，80（6）：1121-1125．

[7] Yin J, Cao Y, Li Y H, et al. Satellite-based entanglement distribution over 1200 kilometers[J]., 2017，36：1140．

A Text Encryption Transmission System Based on Quantum Key Distribution

HAN Feng, JIANG Shaosheng

（）

With the help of the quantum key distribution system, this paper develops a text transmission system based on quantum key encryption. The system uses quantum key distributed by the distribution system to encrypt and decrypt the secure text which needs to be encrypted by quantum technology. Unconditional secure cipher text transmission can hence be realized. The experimental results show that the text encryption system can achieve unconditional secure transmission in the field of text transmission instant communication with small amount of data, which is suitable for the experimental teaching of quantum information transmission direction.

quantum key distribution; text transmission; encryption

2020-04-03

深圳市科技創新委資助項目（No. JCYJ20170815145900474;No. JCYJ20170818115704188）

韓楓，女，吉林人，碩士，講師，研究方向：計算機網絡與信息安全．

G2；TN0-4

A

1672-0318（2020）05-0008-06

10.13899/j.cnki.szptxb.2020.05.002