專(zhuān)利名稱(chēng)：量子保密電話的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及量子保密通信類(lèi)，具體講的是通過(guò)高速的量子保密通信生成密碼本， 再用這個(gè)密碼本對(duì)壓縮后的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行加解密，最終實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的量子保密電話。
背景技術(shù)：
量子保密通信的通訊雙方通過(guò)單光子加載和傳輸信息，由于單光子不可再分，竊 聽(tīng)者就不可能對(duì)單光子進(jìn)行分離，監(jiān)聽(tīng)等操作，因而生成的密碼本是絕對(duì)安全的。由于量子保密通信能夠提供絕對(duì)安全的通信渠道，因此對(duì)于國(guó)防，政治，金融等各 個(gè)領(lǐng)域都有重要的意義，歐洲和美日等發(fā)達(dá)國(guó)家都在不斷的進(jìn)行量子保密通信實(shí)用化的探 索，瑞士甚至還利用量子保密通信來(lái)幫助大選的投票安全。我國(guó)也同樣重視量子通信的實(shí) 用化，將其列為重點(diǎn)科研項(xiàng)目進(jìn)行研究。從量子保密通信提出到如今已經(jīng)歷了近30年的基礎(chǔ)研究，研究?jī)?nèi)容涉及了密鑰 生成方案，安全性，單光子源和單光子探測(cè)等多個(gè)方面。理論和實(shí)驗(yàn)技術(shù)等都已比較成熟， 為走出實(shí)驗(yàn)室，邁向商業(yè)化和實(shí)用化奠定了基礎(chǔ)。實(shí)用的量子保密通信系統(tǒng)一般分為三個(gè)層面一是傳輸單光子的量子信道，通過(guò) 將信息加載到單光子實(shí)現(xiàn)安全的密鑰分發(fā)；二是傳輸篩選信息和碼位信息的經(jīng)典信道，用 于密碼本生成的篩選和校驗(yàn)；三是應(yīng)用信道將信息通過(guò)密碼本的加解密，可以實(shí)現(xiàn)安全的 信息傳輸，理論上在應(yīng)用信道上可以傳輸電話，視頻，文件等信息。量子保密通信的編碼方式通常有相位編碼、偏振編碼和糾纏對(duì)編碼等方式。本發(fā) 明選擇了偏振編碼作為單光子編碼方式，因?yàn)槠衿骷际潜粍?dòng)調(diào)制解調(diào)，而且差損較小， 適用于長(zhǎng)距離的保密通信。但這種編碼方式最主要的缺點(diǎn)就是偏振模式色散將導(dǎo)致偏振態(tài) 隨即抖動(dòng)，必須進(jìn)行主動(dòng)控制。以往的量子通信過(guò)程，一般都是利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行操控和信息存儲(chǔ)，但是對(duì)于一個(gè) 要求絕對(duì)安全的通信系統(tǒng)而言，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)本身就帶有各種漏洞，存在遠(yuǎn)程控制、攻擊和竊 取的可能性，因此終端的不安全將使得絕對(duì)安全的量子信道變得沒(méi)有意義。另外使用數(shù)據(jù) 采集卡和計(jì)算機(jī)結(jié)合的處理方式也很難實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種將量子保密通信與現(xiàn)行主流通信方式之一相結(jié)合的量 子保密電話。利用FPGA做為量子保密電話系統(tǒng)的控制核心，解決現(xiàn)有技術(shù)中偏振編碼方式 偏振模式色散將導(dǎo)致偏振態(tài)隨即抖動(dòng)的問(wèn)題，以及利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行操控和信息存儲(chǔ)存在的 安全性能和很難實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯?wèn)題。本發(fā)明目的實(shí)現(xiàn)由以下技術(shù)方案完成一種量子保密電話，其特征在于，將量子保 密通信的光學(xué)部分和現(xiàn)行電話通信的電學(xué)部分相互結(jié)合，系統(tǒng)包括密鑰生成模塊、偏振控 制模塊和加解密模塊；整個(gè)通信過(guò)程由現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)控制，利用絕對(duì)安全的量 子密碼本對(duì)語(yǔ)音的加解密。
所述的光學(xué)部分由光學(xué)發(fā)送端和光學(xué)接收端通過(guò)光纖連接組成，該光學(xué)發(fā)送端包 括半導(dǎo)體激光器1、偏振調(diào)節(jié)器2、數(shù)控衰減器3和4*1耦合器，四個(gè)半導(dǎo)體激光器的輸出的 激光分別通過(guò)一偏振調(diào)節(jié)器2調(diào)制到0°，90°，45°，135°四種狀態(tài)，并經(jīng)過(guò)4*1耦合器4 耦合到一根光纖中；其中0°和45°的激光回路分連接有一個(gè)數(shù)控衰減器3;該光學(xué)接收端 包括電動(dòng)偏振控制器5、偏振分束器6和單光子探測(cè)器7，兩個(gè)電動(dòng)偏振控制器5的輸入端 通過(guò)一根光纖與所述的4*1耦合器4的輸出端連接，該電動(dòng)偏振控制器5的輸出端分別與 一個(gè)偏振分束器6輸入端連接，每一該偏振分束器6的兩個(gè)輸出端均與一個(gè)單光子探測(cè)器 7的輸入端連接；該半導(dǎo)體激光器1的輸入端和單光子探測(cè)器7的輸出端分別與所述的電 學(xué)部分的發(fā)送端和接收端連接。 所述的電學(xué)部分由電學(xué)發(fā)送端和電學(xué)接收端通過(guò)經(jīng)典信道8連接組成，該電學(xué)發(fā) 送端和電學(xué)接收端分別以FPGA子系統(tǒng)作為控制核心，每一 FPGA子系統(tǒng)的一端通過(guò)經(jīng)典信 道8相互連接，每一 FPGA子系統(tǒng)的另一端分別通過(guò)語(yǔ)言壓縮裝置與電話連接；發(fā)送端的 FPGA子系統(tǒng)通過(guò)數(shù)字IO 口驅(qū)動(dòng)所述的光學(xué)發(fā)送端的半導(dǎo)體激光器，該FPGA子系統(tǒng)還通過(guò) A/D轉(zhuǎn)換器與數(shù)控衰減器3連接；該電學(xué)接收端的FPGA子系統(tǒng)根據(jù)所述的單光子探測(cè)器反 映出來(lái)的偏振對(duì)比度，按照設(shè)定算法給出相應(yīng)的反饋控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器，運(yùn)放后驅(qū) 動(dòng)所述的電動(dòng)偏振控制器。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了量子保密通信和現(xiàn)行電話通信的結(jié)合，利用絕對(duì)安全的量子密碼本 對(duì)語(yǔ)音的加解密，實(shí)現(xiàn)了安全的電話通信，系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)在于利用FPGA作為控制核心， 由于FPGA并不開(kāi)放密碼本存儲(chǔ)芯片的接口，因此任何妄圖通過(guò)攻擊終端而遠(yuǎn)程竊取密碼 本的行為都將無(wú)計(jì)可施。相對(duì)于普通計(jì)算機(jī)諸多漏洞而言，無(wú)疑是對(duì)安全性的有力保障。另 夕卜，隨著FPGA技術(shù)的發(fā)展，目前的處理速度已經(jīng)可以達(dá)到千兆赫茲量級(jí)，因此無(wú)論是在密 鑰篩選的處理速度上，還是在偏振反饋控制的精度和靈敏度上，相比以往的數(shù)據(jù)采集卡等， 都有了質(zhì)的飛躍，而且FPGA還能兼容如相位編碼和糾纏編碼等其他編碼方案。并且能工作 在更高工作頻率的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中，對(duì)今后實(shí)現(xiàn)百兆級(jí)甚至千兆級(jí)的量子保密通信， 都具有很好的適應(yīng)性。


圖1為本發(fā)明量子保密電話光學(xué)部分的結(jié)構(gòu)以及與電學(xué)部分的連接關(guān)系的示意 圖；圖2為本發(fā)明量子保密電話電學(xué)部分的結(jié)構(gòu)圖；圖3為本發(fā)明量子保密電話的工作流程圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明特征及其它相關(guān)特征作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，以便 于同行業(yè)技術(shù)人員的理解。參見(jiàn)圖1，本發(fā)明一種量子保密電話，其特征在于，將量子保密通信的光學(xué)部分和 現(xiàn)行電話通信的電學(xué)部分相互結(jié)合。所述的光學(xué)部分由光學(xué)發(fā)送端和光學(xué)接收端通過(guò)光纖9連接組成，該光學(xué)發(fā)送端 包括半導(dǎo)體激光器1、偏振調(diào)節(jié)器2、數(shù)控衰減器3和4*1 (四進(jìn)一出)耦合器4，四個(gè)半導(dǎo)體激光器1的輸出的激光分別通過(guò)一偏振調(diào)節(jié)器2調(diào)制到0°，90°，45°，135°四種狀態(tài)，并 經(jīng)過(guò)4*1耦合器4耦合到一根光纖9中；其中0°和45°的激光回路分連接有一個(gè)數(shù)控衰 減器3。該光學(xué)接收端包括電動(dòng)偏振控制器5、偏振分束器6和單光子探測(cè)器7，兩個(gè)電動(dòng) 偏振控制器5的輸入端通過(guò)一根光纖9與所述的4*1耦合器4的輸出端連接，該電動(dòng)偏振 控制器5的輸出端分別與一個(gè)偏振分束器6輸入端連接，每一該偏振分束器6的兩個(gè)輸出 端均與一個(gè)單光子探測(cè)器7的輸入端連接；該半導(dǎo)體激光器1的輸入端和單光子探測(cè)器7 的輸出端分別與所述的電學(xué)部分的發(fā)送端和接收端連接。該光學(xué)部分采用了最常規(guī)的偏振編碼BB84方案，四個(gè)半導(dǎo)體激光器1使用 USL155，其中心波長(zhǎng)為1550nm，脈沖寬度為lOOps。窄的脈沖寬度將有利于單光子探測(cè)器獲 得更高的信噪比，脈沖重復(fù)頻率設(shè)定在20MHz，出射的激光經(jīng)過(guò)手動(dòng)的偏振調(diào)節(jié)器2調(diào)制到 0°，90°，45°，135°四種狀態(tài)，并經(jīng)過(guò)4*1耦合器4耦合到一根光纖中。其中0°和45° 的激光還經(jīng)過(guò)了一個(gè)數(shù)控的衰減器3，其作用是在偏振控制的時(shí)候適當(dāng)增加光強(qiáng)，使得偏振 控制的精度提高。在接收端電動(dòng)偏振控制器5由三個(gè)相互之間成45°的壓電陶瓷組成，通 過(guò)從不同角度擠壓光纖，可以得到任意偏振輸出，電動(dòng)偏振控制器5的反饋電壓由FPGA控 制的D/A模塊產(chǎn)生，其反饋量大小是依據(jù)單光子探測(cè)器7上反映出的偏振對(duì)比度的大小給 出的。偏振分束器6的作用是作為被動(dòng)的偏振解調(diào)器件，這是偏振編碼BB84協(xié)議所要求的。 所述的單光子探測(cè)器7是我們自己研制開(kāi)發(fā)的現(xiàn)有的SPDIII型探測(cè)器，其中雪崩二極管工 作在“蓋格模式”，工作帶寬設(shè)定在20MHz，暗計(jì)數(shù)可達(dá)2*E-6，探測(cè)效率可達(dá)10%。單光子 探測(cè)器7帶有數(shù)據(jù)和時(shí)鐘輸出口，通過(guò)電纜連接到FPGA，可實(shí)現(xiàn)對(duì)單光子信號(hào)的數(shù)據(jù)采集。參見(jiàn)圖2，所述的電學(xué)部分由電學(xué)發(fā)送端和電學(xué)接收端通過(guò)經(jīng)典信道8連接組成， 該電學(xué)發(fā)送端和電學(xué)接收端分別以FPGA子系統(tǒng)作為控制核心，每一 FPGA子系統(tǒng)的一端通 過(guò)經(jīng)典信道8相互連接，每一 FPGA子系統(tǒng)的另一端分別通過(guò)語(yǔ)言壓縮裝置與電話連接。發(fā) 送端的FPGA子系統(tǒng)通過(guò)數(shù)字IO 口驅(qū)動(dòng)所述的光學(xué)發(fā)送端的半導(dǎo)體激光器1，該FPGA子系 統(tǒng)還通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器與(光學(xué)部分的)數(shù)控衰減器3連接；該電學(xué)接收端的FPGA子系統(tǒng) 根據(jù)所述的單光子探測(cè)器7反映出來(lái)的偏振對(duì)比度，按照設(shè)定算法給出相應(yīng)的反饋控制信 號(hào)，經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器，運(yùn)放后驅(qū)動(dòng)(光學(xué)部分的)電動(dòng)偏振控制器5。參見(jiàn)圖1 圖3，量子保密電話的發(fā)送端和接收端雙方的電學(xué)部分以FPGA子系統(tǒng) 作為控制核心，F(xiàn)PGA芯片選擇xilinx V5，通信的雙方以其中一端的摘機(jī)信號(hào)作為通訊開(kāi) 始，首先通過(guò)經(jīng)典信道8進(jìn)行狀態(tài)確認(rèn)，然后系統(tǒng)將輪流工作在“密鑰生成”狀態(tài)和“偏振控 制”狀態(tài)，兩種狀態(tài)通過(guò)定時(shí)中斷切換，在“密鑰生成”狀態(tài)中，發(fā)送方通過(guò)數(shù)字IO 口驅(qū)動(dòng)半 導(dǎo)體激光器，接收端FPGA采集單光子信號(hào)，并進(jìn)行密碼篩選，校驗(yàn)，糾錯(cuò)等操作，生成密碼 本導(dǎo)入儲(chǔ)存芯片。當(dāng)偏振控制的定時(shí)中斷到來(lái)的時(shí)候，F(xiàn)PGA控制衰減器減少衰減，增加收端 單光子計(jì)數(shù)，以提高控制精度，數(shù)控衰減器提供了模擬反饋信號(hào)，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換告知FPGA， 以實(shí)現(xiàn)對(duì)其的精確定位。接收端根據(jù)單光子探測(cè)器反映出來(lái)的偏振對(duì)比度，按照設(shè)定算法 給出相應(yīng)的反饋控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)D/A，運(yùn)放后驅(qū)動(dòng)電動(dòng)偏振控制器，當(dāng)偏振調(diào)節(jié)到滿足通訊 要求后，系統(tǒng)重新切換回“密鑰生成”狀態(tài)。另一方面，電話輸出的模擬語(yǔ)音信號(hào)，經(jīng)過(guò)語(yǔ)音 壓縮模塊后，轉(zhuǎn)換為具有一定幀格式的數(shù)字語(yǔ)音信號(hào)，我們選擇的壓縮率為2400bps，這個(gè) 信號(hào)被FPGA接收，并按照其設(shè)定格式挑選出包含語(yǔ)音信息的位進(jìn)行加密，加密過(guò)程采用了“一次一密”的形式，密碼序列按照“先入先出”的方式用于加密，使用過(guò)的密碼隨即丟棄，保 證信息的安全性。而接收端進(jìn)行一次與發(fā)送端相逆的解密過(guò)程，將語(yǔ)音信息恢復(fù)，對(duì)語(yǔ)音的 加解密過(guò)程是雙向的，以適應(yīng)電話的雙工方式。本發(fā)明中，F(xiàn)PGA的工作方式兼容了 USB2.0、串口和網(wǎng)口的數(shù)據(jù)傳輸，可以方便的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算機(jī)的互聯(lián)。但是密鑰生成和儲(chǔ)存都在FPGA控制板上完成，由于不存在類(lèi)似 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的“后門(mén)”，有效的杜絕了通過(guò)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行攻擊和竊取的可能，并且FPGA控制 板還可以兼容更高的傳輸和密鑰生成速率，為進(jìn)一步的視頻通話或者大容量數(shù)據(jù)的高速傳 輸?shù)忍峁┝丝赡堋１景l(fā)明通過(guò)長(zhǎng)距離光纖量子信道生成初始密碼，并通過(guò)FPGA篩選和糾錯(cuò)后得到 雙方一致的密碼本。再將語(yǔ)音信號(hào)與密碼本加密，通過(guò)經(jīng)典信道傳輸后，在接收端解密，從 而實(shí)現(xiàn)了保密的語(yǔ)音通信。量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的同步、單光子信號(hào)發(fā)送和量子通道數(shù)據(jù)流 讀出、單光子偏振控制、經(jīng)典通道的信號(hào)傳遞、量子密碼的篩選和糾錯(cuò)、密碼本緩存、以及語(yǔ) 音加密與解密等等，全部利用FPGA來(lái)完成。本發(fā)明利用FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列)替代計(jì)算機(jī)作為整個(gè)量子通信系統(tǒng)的控制 核心，提高了控制速率和安全性。系統(tǒng)包括密鑰生成模塊，偏振控制模塊和加解密模塊。整 個(gè)過(guò)程由FPGA控制，替代了以往用的計(jì)算機(jī)，使得系統(tǒng)安全性進(jìn)一步提高。本發(fā)明的量子信道采用了偏振編碼的BB84協(xié)議，用于雙方生成初始密碼，其中光 脈沖觸發(fā)，衰減控制，偏振反饋控制，單光子信號(hào)采集等過(guò)程都由FPGA完成，生成的初始密 碼也保存在FPGA板上的存儲(chǔ)芯片中，隨后通信雙方經(jīng)過(guò)一系列的密鑰篩選和密鑰糾錯(cuò)，增 強(qiáng)等操作得到最終的密碼本。本發(fā)明的語(yǔ)音信號(hào)通過(guò)專(zhuān)用的語(yǔ)音壓縮芯片轉(zhuǎn)換為具有一定幀格式的數(shù)字信號(hào)， FPGA對(duì)數(shù)字信號(hào)的解析，找出其中代表語(yǔ)音的數(shù)據(jù)位，并從存儲(chǔ)芯片中，通過(guò)先入先出的方 式，導(dǎo)出密碼本對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行加密，然后經(jīng)公用信道將加密好的信息傳輸至收端，收端采 用一相逆過(guò)程，對(duì)信號(hào)進(jìn)行解密，語(yǔ)音恢復(fù)，從而實(shí)現(xiàn)保密電話通信。
權(quán)利要求
一種量子保密電話，其特征在于，將量子保密通信的光學(xué)部分和現(xiàn)行電話通信的電學(xué)部分相互結(jié)合，系統(tǒng)包括密鑰生成模塊、偏振控制模塊和加解密模塊；整個(gè)通信過(guò)程由現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列FPGA控制，利用絕對(duì)安全的量子密碼本對(duì)語(yǔ)音的加解密。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的量子保密電話，其特征在于，所述的光學(xué)部分由光學(xué)發(fā)送端 和光學(xué)接收端通過(guò)光纖連接組成，該光學(xué)發(fā)送端包括半導(dǎo)體激光器、偏振調(diào)節(jié)器、數(shù)控衰 減器和4*1耦合器，四個(gè)半導(dǎo)體激光器的輸出的激光分別通過(guò)一偏振調(diào)節(jié)器調(diào)制到0°， 90°，45°，135°四種狀態(tài)，并經(jīng)過(guò)4*1耦合器耦合到一根光纖中；其中0°和45°的激光 回路分連接有一個(gè)數(shù)控衰減器；該光學(xué)接收端包括電動(dòng)偏振控制器、偏振分束器和單光子 探測(cè)器，兩個(gè)電動(dòng)偏振控制器的輸入端通過(guò)一根光纖與所述的4*1耦合器的輸出端連接， 該電動(dòng)偏振控制器的輸出端分別與一個(gè)偏振分束器輸入端連接，每一該偏振分束器的兩個(gè) 輸出端均與一個(gè)單光子探測(cè)器的輸入端連接；該半導(dǎo)體激光器的輸入端和單光子探測(cè)器的 輸出端分別與所述的電學(xué)部分的發(fā)送端和接收端連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的量子保密電話，其特征在于，所述的電學(xué)部分由電學(xué)發(fā)送端 和電學(xué)接收端通過(guò)經(jīng)典信道連接組成，該電學(xué)發(fā)送端和電學(xué)接收端分別以FPGA子系統(tǒng)作 為控制核心，每一 FPGA子系統(tǒng)的一端通過(guò)經(jīng)典信道相互連接，每一 FPGA子系統(tǒng)的另一端分 別通過(guò)語(yǔ)言壓縮裝置與電話連接；發(fā)送端的FPGA子系統(tǒng)通過(guò)數(shù)字IO 口驅(qū)動(dòng)所述的光學(xué)發(fā) 送端的半導(dǎo)體激光器，該FPGA子系統(tǒng)還通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器與數(shù)控衰減器連接；該電學(xué)接收端 的FPGA子系統(tǒng)根據(jù)所述的單光子探測(cè)器反映出來(lái)的偏振對(duì)比度，按照設(shè)定算法給出相應(yīng) 的反饋控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器，運(yùn)放后驅(qū)動(dòng)所述的電動(dòng)偏振控制器。
全文摘要
一種量子保密電話，將量子保密通信和現(xiàn)行電話通信的結(jié)合，利用絕對(duì)安全的量子密碼本對(duì)語(yǔ)音的加解密，實(shí)現(xiàn)了安全的電話通信，系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)在于利用FPGA作為控制核心，由于FPGA并不開(kāi)放密碼本存儲(chǔ)芯片的接口，因此任何妄圖通過(guò)攻擊終端而遠(yuǎn)程竊取密碼本的行為都將無(wú)計(jì)可施。相對(duì)于普通計(jì)算機(jī)諸多漏洞而言，無(wú)疑是對(duì)安全性的有力保障。另外，隨著FPGA技術(shù)的發(fā)展，目前的處理速度已經(jīng)可以達(dá)到千兆赫茲量級(jí)，因此無(wú)論是在密鑰篩選的處理速度上，還是在偏振反饋控制的精度和靈敏度上，都有了質(zhì)的飛躍，而且FPGA還能兼容如相位編碼和糾纏編碼等其他編碼方案。并能工作在更高工作頻率的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中，都具有很好的適應(yīng)性。
文檔編號(hào)H04K1/00GK101827149SQ201010114280
公開(kāi)日2010年9月8日 申請(qǐng)日期2010年2月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月10日
發(fā)明者曾和平, 陳杰 申請(qǐng)人:南通墨禾量子科技發(fā)展有限公司