無線互聯網絡通信量子密碼安全保護技術

中圖分類號：TP391 文獻標志碼：A

0 引言

隨著互聯網技術的飛速發展，無線互聯網絡已經成為現代社會不可或缺的一部分。無論是日常生活、商業活動還是國家安全，無線互聯網絡都扮演著至關重要的角色。然而，隨著網絡應用的廣泛深人，網絡安全問題也日益凸顯，尤其是數據傳輸的安全性成了亟待解決的關鍵問題[1]。傳統的加密技術在面對日益復雜的網絡攻擊時顯得力不從心，而量子計算技術的崛起更是對傳統加密體系構成了前所未有的威脅。

量子計算利用量子比特（Qubit）的疊加態和糾纏態等特性，在處理某些復雜問題時展現出比經典計算機更強大的計算能力。這使得傳統的基于數學難題的加密算法，如RSA公鑰加密算法，在量子計算面前變得脆弱不堪[2]。一旦量子計算機能夠高效地破解這些加密算法，那么現有的無線互聯網絡通信將面臨巨大的安全風險。

為了應對這一挑戰，量子密碼安全保護技術應運而生。量子密碼學是基于量子力學原理的密碼學，利用了量子系統的一些獨特特性，如不可克隆定理和測不準原理，來實現密鑰的安全分發和信息的安全傳輸。量子密碼技術不僅能夠提供比傳統加密技術更高的安全性，而且能夠抵御量子計算機的攻擊，從而成為未來無線互聯網絡通信安全保護的重要選擇。

1無線互聯網絡通信量子密鑰分發

在無線互聯網絡通信中，量子密鑰分發（QKD）核心思想是通過量子態的特性來確保密鑰的安全性，防止任何第三方竊聽。QKD的典型協議包括BB84協議和E91協議。在BB84協議中，發送方（Alice）和接收方（Bob）通過量子信道和經典信道進行通信[3]Alice隨機選擇一組基（如線性基和對角基）來編碼量子比特，并將這些量子比特發送給 Bob 。之后，雙方通過經典信道公開比較基的選擇，保留相同的比特作為密鑰。量子態的疊加原理可以用以下公式表示：

其中， α 和 β 是復數，滿足 ∣α∣²+∣β∣²=1 。測量量子態時，會以概率 ∣α∣² 得到狀態 ∣0? ，以概率|β∣² 得到狀態 ∣1? 。在E91協議中，Alice和 Bob 通過糾纏態進行密鑰分發。糾纏態可以表示為：

Alice和Bob各自測量糾纏態的一部分，測量結果之間存在關聯性，可以用來生成密鑰。

2生成量子通信協議

量子通信協議的設計須考慮量子態的傳輸、測量和糾錯等問題。量子隱形傳態允許Alice將未知量子態傳輸給Bob，而不須直接傳輸量子比特[4]。假設Alice有一個未知量子態 ，與Bob共享一個糾纏態 |?⁺? 。Alice對 ∣φ? 和其部分糾纏態進行貝爾態測量，得到4個可能的結果。Alice將測量結果通過經典信道發送給Bob，Bob根據這些結果對他的部分糾纏態進行相應的操作，最終得到∣φ? 。量子隱形傳態的數學描述如下：

其中， σ_i 是Pauli矩陣， ∣?_i? 是貝爾基。量子中繼用于延長量子通信的距離。由于量子態在傳輸過程中會衰減，量子中繼通過糾纏交換和糾纏純化技術來恢復量子態的相干性[5-6]。糾纏交換的數學描述為：

通過測量 A₁ 和 A₂ ，可以將 B₁ 和 B₂ 糾纏在一起。

3量子保密通信

量子保密通信利用量子密鑰分發生成的密鑰對經典信息進行加密和解密。量子一次一密是一種無條件安全的加密方案。假設Alice和Bob共享一個長度為 n 的密鑰 K ，Alice將明文 M 與密鑰 K 進行異或操作，得到密文 c

C=M°ledastK

Bob收到密文 c 后，使用相同的密鑰 K 進行解密：

M=C⊕K

由于密鑰 K 是隨機且只使用一次，任何竊聽者都無法獲取明文 M 的信息。量子認證加密結合了加密和認證功能，確保密文的完整性和真實性。假設Alice和Bob共享2個密鑰 K_r 和 K₂ ，Alice使用 K_r 對明文 M 進行加密，得到密文 c ，并使用 K₂ 生成認證標簽 T

C=E_K1（M）

T=H_κ2（M）

Bob收到密文 c 和認證標簽 T 后，使用 K_r 解密得到 M^′ ，使用 K₂ 驗證 T 的正確性：

M^′=D_κ1（C）

T^′=H_κ2（M^′）

如果 T^′=T ，則密文 c 是完整和真實的。

4后量子密碼安全保護

隨著量子計算機的發展，傳統的公鑰密碼體制（如RSA和ECC）面臨被破解的風險。后量子密碼（Post-QuantumCryptography，PQC）旨在設計能夠抵抗量子計算機攻擊的密碼算法。常見的后量子密碼方案包括基于格的密碼（Lattice-BasedCryptography）、基于編碼的密碼（Code-BasedCryptography）和基于多變量的密碼（MultivariateCryptography）。基于格的密碼利用格上的困難問題（如最短向量問題SVP和最近向量問題CVP）來設計加密和簽名方案。假設 L 是一個格， 是格的基矩陣，最短向量問題可以表示為：

基于格的加密方案通常使用LWE（LearningWithErrors）問題，其數學描述為：

As+e=b

其中， A 是隨機矩陣， s 是秘密向量， e 是小誤差向量， 是公開向量。攻擊者須從 A 和 中恢復 s ，這在量子計算機下也是困難的。基于編碼的密碼利用糾錯碼的困難問題（如一般解碼問題）來設計加密方案。假設 G 是生成矩陣， c 是碼字， e 是錯誤向量，一般解碼問題可以表示為：

c=mG+e

解碼得到的結果即為最終通信結果，通過上述步驟確保通信的安全性。

5 實例應用分析

5.1 通信環境

本文以某金融公司的無線互聯網絡通信系統為例，分析量子密碼安全保護技術的應用。該公司的通信網絡覆蓋了總部與多個分支機構之間的數據傳輸，涉及大量的敏感金融信息，如客戶賬戶信息、交易記錄等。通信環境具體信息如表1所示。

表1通信環境信息

總部與分支機構之間的平均距離為 50km ，量子信道采用光纖量子信道，損耗為 0.2dB/km ；經典信道采用光纖經典信道，損耗為 0.3dB/km 。

5.2 通信模擬

無線互聯網絡通信模擬的拓撲結構如圖1所示。

圖1無線互聯網絡通信模擬的拓撲結構

總部與分支機構之間的數據傳輸過程，采用量子密鑰分發技術進行加密保護，具體步驟如下。第一步，密鑰分發：總部與分支機構通過量子信道分發密鑰，密鑰長度為256位；第二步，數據加密：使用生成的量子密鑰對數據進行AES-256加密；第三步，數據傳輸：加密后的數據通過經典信道傳輸；第四步，數據解密：分支機構使用相同的量子密鑰對數據進行解密。將通信模擬結果記錄如表2所示。

表2通信模擬結果記錄

從表1中記錄的模擬結果可以看出，量子密碼安全保護技術在無線互聯網絡通信中的應用表現優異。在 50km 的通信距離下，QKD的成功率達到 98.5% ，表明量子通信設備在中等距離范圍內具有較高的可靠性。這一高成功率確保了密鑰分發的穩定性，為后續的數據加密和解密提供了堅實的基礎。加密后的數據傳輸速率為 950Mbps ，僅比未加密時的1Gbps降低了 5% 。這表明量子密碼技術的引入對通信系統的帶寬影響較小，能夠在不顯著降低傳輸效率的情況下實現高強度的數據加密保護。加密和解密過程引人的延遲僅為 2ms ，這一低延遲特性使得量子密碼技術能夠滿足實時性要求較高的應用場景（如金融交易、實時數據傳輸等），不會對通信系統的性能造成明顯影響。密鑰長度為256位，符合AES-256加密標準，能夠提供極高的安全性。同時，量子密鑰生成速率為 10kbps ，足以支持高頻次的密鑰更新，進一步增強了系統的抗攻擊能力。

5.3 安全性分析

在此基礎上，該研究對上述提出的量子密碼安全保護技術的應用安全性進行深入分析。通過構建通信拓撲結構中各節點之間的代價風險值測定模型，將其作為量化評價保護技術應用安全性的核心指標。代價風險值（Cost-RiskValue，CRV）用于量化通信鏈路中潛在的安全風險及其可能造成的損失。其計算公式為：

其中， P_attack 為通信鏈路遭受攻擊的概率， C_loss 為攻擊成功導致的損失代價，包括數據泄露、系統癱瘓、聲譽損失等。在應用該研究保護技術前后，統計各節點間通信的代價風險值，如圖2和圖3所示。

圖2保護技術應用前節點間通信的代價風險值統計結果

圖3保護技術應用后節點間通信的代價風險值統計結果

通過對比圖2和圖3的代價風險值分布，可以直觀地觀察到，在未應用本文提出的量子密碼安全保護技術之前，節點之間通信的代價風險值普遍較高，部分鏈路的代價風險值甚至超過了0.6，表明其面臨較高的安全威脅和潛在損失。然而，在應用本文提出的量子密碼保護技術后，各節點之間通信的代價風險值顯著降低，全部鏈路的CRV均被控制在0～0.2的范圍內，降幅超過 66.7% 。這一結果表明，量子密碼技術的引入不僅有效抑制了攻擊成功的概率，還大幅降低了潛在的安全損失。上述安全性分析及量化評估，進一步證明了該研究提出的保護技術在實際應用中具備高度的可行性，同時能夠顯著提升無線互聯網絡通信的安全性，為高安全性需求的行業（如金融、國防、醫療等）提供了可靠的技術支撐。此外，該技術的低延遲、高密鑰分發成功率以及對量子計算攻擊的強抗性，進一步凸顯了其在未來通信網絡中的廣泛應用潛力。

6結語

無線互聯網絡通信量子密碼安全保護技術是應對當前網絡安全挑戰、保障未來通信安全的重要手段。量子密碼學以其獨特的量子力學原理為基礎，提供了高度安全的通信解決方案。通過量子密鑰分發等技術，可以實現密鑰的安全分發和信息的安全傳輸，有效抵御傳統網絡攻擊手段以及量子計算機的攻擊。

參考文獻

[1]胡偉，袁超絢，鄭健，等.一種針對格基后量子密碼的能量側信道分析框架[J].電子與信息學報，2023（9）：3210-3217.

[2]陳穎，甘志剛，葉天語.基于 d 維Bell態的單態多方半量子秘密共享[J].電子學報，2023（12）：3444-3449.

[3]王賽男，張龍.一種基于強非局域正交直積態的新型量子密封投標拍賣協議[J].黑龍江大學自然科學學報，2024（3）：272-280.

[4]杜小妮，王香玉，梁麗芳，等.輕量級分組密碼Piccolo的量子密碼分析[J].通信學報，2023（6）：175-182.

[5]董慧康，裴東芳.考慮無線網絡安全的量子密碼更新算法仿真[J].計算機仿真，2023（2）：399-402.

[6]張磊，趙光岳，肖超恩，等.Falcon后量子算法的密鑰樹生成部件GPU并行優化設計與實現[J].計算機工程，2024（9） ：208-215.

（編輯戴啟潤）

Abstract：Inviewof the security threats faced bywireless Internet communication，this paper conductsresearchon quantumcryptographysecurityprotection technology.Byutilizing Quantum Key Distribution（QKD）technology， securetransmission of keys can be achieved，addressng the vulnerabilityof keydistribution to attacks.This method generates a quantum communication protocol based on the principles of quantum mechanics，ensuring absolute confidentiality during information transmision.Quantum secure communication is alsodesigned toprovide security protection for wirelessInternet.Meanwhile，a post quantum cryptographic security protection scheme is designed to addresspotential threats inquantum computing.Experiments show that this methodcan significantly improve the security of wireless Internet.

Key words： wireless; communication; password; quantum; Internet network