一种基于自适应的多方半量子对话系统及方法

本发明属于通信安全，特别是涉及一种基于自适应的多方半量子对话系统及方法。

背景技术：

1、量子安全直接通信是一种在量子信道直接传递量子信息，并能发现窃听的通信方式，理论上被证明具有绝对安全性。鉴于目前全量子设备资源昂贵、稀缺，“半量子安全直接通信”被提出，基于量子设备和经典设备的融合，旨在降低量子硬件设备成本和计算负担，促进量子通信的发展和实用化。目前半量子安全直接通信方法研究中通信参与方主要包含两个或三个，量子通信方、经典通信方都可以成为信息的发送者或接收者，主要聚焦于量子方和经典通信方之间单向通信，且通信过程中存在篡改攻击，然而，多方量子通信不仅是未来一代量子网络通信的发展趋势，双向通信更符合实际通信需求，现有通信模式、方法无法满足未来量子网络的需求。

2、现有的半量子安全直接通信技术方案主要解决的是两个通信方之间的单向通信，目前大部分协议方法中存在篡改攻击风险，效率不是很理想，且不符合未来高安全性网络化的发展需求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于自适应的多方半量子对话系统及方法，通过自适应信道模块能根据实时信道状态动态调整量子纠错码强度和传输频率，解决了现有技术效率不是很理想的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

3、本发明提供一种基于自适应的多方半量子对话方法，所述对话方法包括以下步骤：

4、步骤s1、量子态分配：为多个通信方分配初始量子态，初始量子态依据通信方能力采用不同制备方式，同时给予经典辅助信息向量；

5、步骤s2、信道评估：测量信道噪声和信道保真度，并设定量子纠错码强度；

6、步骤s3、对话发起：通信方将信息编码并发送，信道监测异常时重新编码调整；

7、步骤s4、信息交互：接收方测量提取信息，错误率超阈值则反馈，发送方根据反馈重新编码纠错后再次发送，信道状态变化大时更新信道参数；

8、步骤s5、多方协作与防篡改：通信方计算接收量子态哈希值并交换对比，不一致时确定可疑方，可疑方重新发送并提供记录，各方根据记录调整信道安全策略；

9、步骤s6、对话总结与确认：各方通过经典通信总结确认对话内容，不一致时回溯查找错误纠正；

10、步骤s7、系统性能分析与优化：计算平均保真度、准确率和防篡改有效性，依此优化系统。

11、进一步的，所述步骤s1、量子态分配具体包括以下步骤：

12、 步骤s11：为每个通信方分配一组初始量子态，设通信方数量为 ，第个通信方的初始量子态为，的制备方式根据通信方的能力而定；

13、步骤s12：为每个通信方分配一个经典辅助信息向量，其中，为经典辅助信息的维度。

14、进一步的，所述步骤s2、信道评估具体包括以下步骤：

15、步骤s21：对各方之间的量子信道进行初始评估，测量信道噪声和信道保真度，为每个通信链路设定初始的信道参数；

16、步骤s22：定义量子纠错码强度与信道噪声和信道保真度的关系为：

17、 ；

18、式中，表示向上取整，为从通信方到通信方的信道噪声，为从通信方到通信方的信道保真度，为从通信方到通信方的量子纠错码强度；

19、量子态传输频率与信道噪声和信道保真度的关系为：

20、 ；

21、式中，为从通信方到通信方的量子态传输频率。

22、进一步的，所述步骤s3、对话发起具体包括以下步骤：

23、步骤s31：通信方1发起对话，发起方将对话主题相关的信息编码到量子态上，编码表达式为，为编码函数，为通信方1的初始量子态，为通信方1编码后的量子态；

24、步骤s32：通信方1通过量子信道将发送给各通信方，在发送过程中，自适应信道模块实时监测信道状态；

25、当发现信道参数偏离初始设定值时，根据当前信道状态调整量子态的编码方式或纠错策略：

26、监测到的从通信方1到通信方的当前信道噪声为和当前信道保真度为，当时，调整编码量子态为，其中，为调整后的编码函数，为通信方1调整后的量子态。

27、进一步的，所述步骤s4、信息交互具体包括以下步骤：

28、步骤s41：设发送方为通信方1，接收方为通信方，其中，，在接收到量子态或调整后的后，进行初步的量子测量和信息提取：

29、测量表达式为，为测量函数，得到测量结果，当量子态受到干扰超过阈值，通信方将向发送方反馈错误信息；

30、步骤s42：发送方收到反馈后，与自适应信道模块协同，重新调整发送策略，当通信方反馈错误，通信方1根据当前信道状态和通信方的反馈，调整当前量子纠错码强度：

31、 ；

32、式中，为根据错误情况额外增加的纠错强度，为从通信方1到通信方的当前量子纠错码强度；

33、重新编码量子态为，再次发送给通信方；

34、式中，为重新编码函数，为通信方1重新编码后的量子态；

35、步骤s43：在多方对话过程中，各方之间不断交换信息，自适应信道模块持续监测整个网络的信道状态和各方的操作情况：

36、设和为当前时刻监测到的信道噪声矩阵和信道保真度矩阵，为当前时刻从通信方到通信方的信道噪声，为当前时刻从通信方到通信方的信道保真度，定义信道状态变化量，其中，为矩阵的范数，和分别为原始信道噪声矩阵和原始信道保真度矩阵；

37、当时，系统调整量子信道参数和信息传输策略，为预先设定的阈值；

38、对于所有通信链路，更新量子纠错码强度：

39、 ；

40、式中，为从通信方到通信方更新的量子纠错码强度；

41、调整量子态传输频率：

42、 ；

43、式中，为从通信方到通信方调整后的量子态传输频率。

44、进一步的，所述步骤s5、多方协作与防篡改的具体包括以下步骤：

45、步骤s51：在对话过程中，建立多方协作的防篡改机制，通信方在接收和处理量子态信息时，进行自身的纠错和信息提取，并与其他通信方进行信息交互和验证；

46、步骤s52：设通信方接收到的量子态为，通信方计算的哈希值，其中，为哈希函数，再通过经典通信将发送给各通信方；

47、通信方收到后，计算自己接收到的量子态的哈希值，并比较和，当时，各方将共同启动纠错和追溯机制；

48、步骤s53：定义哈希值与其他通信方不一致的通信方集合：

49、 ；

50、式中，为集合中的元素，为通信方计算得到的哈希值，为除通信方之外的一个通信方计算得到的哈希值，表示存在一个通信方；

51、对于不一致的通信方，各通信方共同对不一致的通信方发送验证请求，通信方重新发送相关量子态信息，并提供详细的操作记录和信道状态信息；

52、各方重新计算哈希值并验证，当仍然发现哈希值不一致时，调整信道安全策略，更改后量子加密强度为：

53、 ；

54、式中，为原始的量子加密强度，为根据篡改情况增加的加密强度；

55、更改后的通信路径选择函数为：

56、 ；

57、式中，为所有通信路径集合，和为路径上的信道噪声和信道保真度。

58、进一步的，所述步骤s7、系统性能分析与优化中计算平均保真度、准确率和防篡改有效性的方法具体为：

59、量子信道的平均保真度：

60、 ；

61、式中，为通信方的数量，为从通信方到通信方的信道保真度；

62、信息传输的准确率：

63、 ；

64、式中，为通信方的信息错误率；

65、防篡改机制的有效性：

66、 ；

67、式中，为通信方和之间的篡改情况。

68、本发明还提供一种基于自适应的多方半量子对话系统，所述对话系统包括量子态制备模块、信息编码与解码模块、自适应信道模块、防篡改验证模块和系统优化模块，所述量子态制备模块输出端与信息编码与解码模块输入端单向连接，所述信息编码与解码模块与自适应信道模块双向连接，所述信息编码与解码模块与防篡改验证模块双向连接，所述自适应信道模块与防篡改验证模块双向连接，所述防篡改验证模块与系统优化模块双向连接，所述系统优化模块与量子态制备模块、信息编码与解码模块和自适应信道模块均为双向连接，所述量子态制备模块用于向信息编码与解码模块提供初始量子态，是整个系统的基础，为后续信息处理提供量子态资源，所述信息编码与解码模块用于接收量子态制备模块生成的量子态，进行信息编码后，通过自适应信道模块传输编码后的量子态，同时，接收来自自适应信道模块的量子态进行解码，并与防篡改验证模块交互，根据防篡改验证结果可能重新进行编码或解码操作，所述自适应信道模块用于实时监测信道状态，为信息编码与解码模块的信息传输提供信道支持，并根据信道状态动态调整参数，同时，与防篡改验证模块协作，根据防篡改情况调整信道安全策略，所述防篡改验证模块用于在信息传输过程中，对量子态进行哈希值计算和验证，与信息编码与解码模块交互以确保信息的完整性和安全性，根据验证结果与自适应信道模块协作调整信道安全策略，并将相关信息反馈给系统优化模块，所述系统优化模块用于在对话结束后，收集来自其他四个模块的性能数据和信息，进行系统性能分析，然后向其他模块提供优化建议和参数调整方向，以实现系统的持续改进和优化。

69、本发明具有以下有益效果：

70、 1、本发明自适应信道模块能根据实时信道状态动态调整量子纠错码强度和传输频率，信道质量好时，提高传输频率，加快信息交换；信道变差时，增强纠错能力，减少错误重传，避免资源浪费，确保信息高效传输，防篡改验证模块通过哈希值计算与交换，及时发现篡改行为，多方协作机制确保信息完整性，一旦发现异常，可追溯可疑方并调整安全策略，有效抵御外部攻击，保障信息安全，适用于对安全性要求高的场景，确保敏感信息不被泄露或篡改。

71、2、本发明量子态制备模块根据通信方能力分配量子态，结合经典辅助信息，使各方能有效参与，对话中，自适应信道模块和防篡改验证模块能应对设备性能变化与信道波动，无论是复杂的通信环境还是不同能力的通信方组合，都能保障通信稳定，对话结束后，系统优化模块依据量子信道平均保真度、信息传输准确率、防篡改机制有效性等指标进行分析，为量子态制备、信道参数设定、自适应调整策略等提供优化方向，通过不断优化，系统可适应不同通信需求和环境变化，提升整体性能。