一种基于压缩态的宽信噪比连续变量QKD数据协调方法及系统

一种基于压缩态的宽信噪比连续变量qkd数据协调方法及系统
技术领域
1.本发明涉及量子信息与光通信技术领域，具体涉及一种基于压缩态的宽信噪比的连续变量量子密钥分发后处理中的数据协调方法及系统。


背景技术：

2.现有的基于计算复杂度的密钥体系受到了量子计算技术发展的挑战，能保证信息绝对安全性的量子密钥分发(quantum key distribution，qkd)技术成为了解决这一问题的最好办法。量子密钥分发主要分为两种：连续变量量子密钥分发(continuous variable quantum key distribution，cv-qkd)和离散变量量子密钥分发(discrete variable quantum key distribution，dv-qkd)。dv-qkd基于能量响应的探测方式效率较低，且系统实现比较复杂，降低其实际可行性。相较于dv-qkd，cv-qkd应用的探测方式为零差探测和外差探测，技术更成熟且能融合应用现有的经典光通信系统。
3.cv-qkd主要包括相干态和压缩态，都主要分为两个阶段，量子通信阶段和经典通信阶段。由于量子信道的不完美性，容易受到噪声以及窃听者等的干扰。因此双方数据只是具有关联性，存在误码，因此需要通过经典通信进行纠错。为了将量子通信生成的高斯态转化为二进制数，需要采用数据协调方案。当下主流相干态数据协调方案分为两种，在信噪比(signal-noise ratio，snr)较高(约1-15)时采用的样条协调(slice reconciliation)和信噪比较低(约0.01-1)时采用的多维协调(multi reconciliation)。相干态信号在低信噪比的时候会分布在原点附近，因此在低信噪比时使用样条协调方案。而压缩态信号由于其只压缩一个方向，使得其能在低信噪比匹配样条协调方案。
4.不同于经典通信，量子信道当遭遇外界环境突变或受到窃听者eve攻击等情况发生时，qkd系统的snr就会发生不规则的变化，而样条协调和多维协调这两种算法适用的信噪比区间的过度并不平滑。所以为对抗信道畸变，针对压缩态信号，有必要提出一种可以同时适用于所有信噪比区间的数据协调算法，有效降低后处理复杂度，提高后处理的效率。
[0005]“现有技术专利：(cn112769558a)提供了一种码率自适应qkd后处理方法及系统，但只提供了宽信噪比情况下的编码矩阵，数据处理复杂度仍较高，需要一种宽信噪比的数据协调方案。”

技术实现要素：

[0006]
本发明的目的是为了解决在时变信道条件下适配多种信噪比状态，降低量子密钥分发后处理复杂度的问题，因此提出了一种基于压缩态的宽信噪比连续变量qkd数据协调方法及系统，以保证量子密钥分发后处理过程中的数据协调可以实时高效完成，进而提高数据吞吐量，提高成码率。
[0007]
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
[0008]
一种基于压缩态的宽信噪比连续变量qkd数据协调方法，该方法包括如下步骤：
[0009]
s1：发送方alice通过光学系统生成压缩态的量子信号，并记录原始密钥k
a1
，通过量子信道将量子信号发送给接收方bob，接收方bob接收到量子信号后，对量子信号进行探测，并将光信号转化为电信号，以获取原始密钥k
b1
；
[0010]
s2:接收方bob公布检测到量子信号的时刻，发送方与接收方的基矢比对单元进行时间比对，丢弃掉接收方bob的基矢比对单元未接收量子信号时刻对应的密钥比特，并根据选用的量子密钥分发协议内容选择正确的测量基和正确的信号到达时间,保留可用密钥；发送方alice和接收方bob在这一过程所保留的密钥比特分别组成发送方筛后密钥k
a2
、接收方筛后密钥k
b2
；
[0011]
s3：所述发送方alice和接收方bob从筛后密钥k
a2
、k
b2
中随机挑选一小部分在经典信道进行公开的密钥比对，并根据相同的信号占总信号的比例计算该密钥的量子误码率；
[0012]
若量子误码率高于或等于设定的阈值，则舍弃本次传输所有信息比特；若量子误码率小于设定的阈值，则根据信噪比snr以及公式c＝0.5log2(1 snr)计算传输信道信道容量c,snr表示信噪比，并调用纠错单元对剩余的信息比特进行误码纠错；
[0013]
s4：所述发送方alice和接收方bob的纠错单元在经典信道中通过纠错算法纠正剩余筛后密钥的误码，使得发送方和接收方持有一致的密钥串；
[0014]
s5：所述发送方alice和接收方bob的保密增强单元根据所述纠错单元中执行纠错过程中所得到的速率上限，通过哈希函数算法将窃听者在量子信道与认证的经典信道上获取的信息量缩短，得到最终的安全密钥比特。
[0015]
优选地，所述s4进一步包括：
[0016]
s41:通信双方alice和bob分别有一组关联的高斯序列码x和y；在进行步骤s3的同时，在发送方alice端和接收方bob端分别通过多级编码和多级译码对高斯序列码x和y进行量化，假设量化级数为m(m＝4,5,
…
且m为整数)，将实数轴划分为2m个区间，然后对分布在每一个区间里的高斯数划分为m个二进制数,生成m个二进制序列l1,l2,
…
,lm和l
′1,l
′2,
…
,l
′m；
[0017]
s42：接收方bob提取前n级的信息l1,l2,
…
,ln,使用校验矩阵与剩余比特串l
n 1
,
…
,lm分别作用，生成校验子s
n 1
,
…
,sm，并通过经典信道发送给发送方alice；
[0018]
s43：发送方alice以自身的裸码x为边信息，结合接收到的l1,l2,
…
,ln和校验子s
n 1
,
…
,sm，进行迭代译码恢复出密钥。
[0019]
优选地，所述s42还进一步包括s42a，所述s42a包括以下步骤：
[0020]
s42a1:接收方bob公开前三级的信息l1,l2,l3，并使用校验矩阵与后两个比特串l4,l5分别作用，生成两个校验子s4,s5；
[0021]
s42a2:接收方bob通过经典信道将前三个比特串l1,l2,l3和校验子s4,s5发送给发送方alice；
[0022]
s42a3:发送方alice以自身的裸码x为边信息，根据接收到的l1,l2,l3和s4计算第4级译码消息的初始概率，进行第4级迭代译码；
[0023]
s42a4:发送方alice成功恢复出第4级密钥l4后，再利用x,l1,l2,l3,l4,s4计算第5级译码消息的初始概率，进行第5级迭代译码，恢复出第5级密钥l5。
[0024]
优选地，所述s42还进一步包括s42b,所述s42b包括以下步骤：
[0025]
s42b1:接收方bob公开前两级的信息l1,l2，用校验矩阵与后两个比特串l3,l4分别
作用，生成两个校验子s3,s4；
[0026]
s42b2:接收方bob分别将校验子s3,s4中每d个元素组成一个向量，标记为xi和x
′i；发送方alice分别将l
′3,l
′4中每d个元素组成一个向量yi和y
′i；
[0027]
s42b3:双方首先需要对高斯矢量进行归一化，即
[0028][0029]
式中|xi|、|yi|表示对向量取模；
[0030]
同理，
[0031][0032]
式中|x
′i|、|y
′i|表示对向量取模；
[0033]
s42b4:接收方bob产生一组长度为d且服从均匀分布的随机比特串(b1,b2,
…
,bd,)，然后将此随机比特串转换成d维球面矢量
[0034][0035]
s42b5:接收方bob进行旋转操作，计算出函数m(y,u),使其满足
[0036]
m(y,u)y＝u；
[0037]
s42b6:接收方bob将函数m(y,u)的信息发送给alice，alice利用接收到的该函数信息计算m(y,u)x＝v，其中y为接收方bob持有信息，x为发送方alice持有信息,v为发送方alice根据函数m将所持信息x转化后的d维球面矢量。
[0038]
优选地，所述s42进一步包括：
[0039]
根据信噪比选择量化级数n(4≤n≤m，n为整数)，具体方式如下：
[0040]
在1＜snr≤100时，选择n＝5，采用步骤s42a中所提数据协调方案；
[0041]
在0＜snr≤1，选择n＝4，采用步骤s42b中所提数据协调方案。
[0042]
本发明还提供了一种基于压缩态的宽信噪比连续变量qkd数据协调系统，该系统应用了如上述任意一项所述的一种基于压缩态的宽信噪比连续变量qkd数据协调方法，该系统包括：发送方alice和接收方bob，所述发送方alice和接收方bob通过量子信道和经典信道进行连接；
[0043]
所述发送方alice包括alice光学系统、alice上位机和alice处理器；
[0044]
所述alice光学系统、alice上位机和alice处理器依次连接；所述alice光学系统包括光学系统信号发送单元；所述alice上位机包括alice基矢比对单元、alice参数估计单元；alice处理器包括alice纠错单元和alice保密增强单元；
[0045]
所述接收方bob包括bob光学系统、bob上位机和bob处理器；所述bob光学系统、bob上位机和bob处理器依次连接；所述接收方bob上位机包括bob基矢比对单元和bob参数估计单元；所述bob处理器包括bob纠错单元和bob保密增强单元；
[0046]
所述alice光学系统通过量子信道与bob光学系统连接；所述alice上位机通过经典信道与bob上位机连接；所述alice处理器通过经典信道与bob处理器连接；
[0047]
所述发送方alice的光学系统信号发送单元用于生成并发送量子比特，并通知上位机记录始密钥k
a1
；
[0048]
所述接收方bob的光学系统信号接收单元用于接收量子比特，并通知上位机获取原始密钥k
b1
；
[0049]
所述发送方alice通过alice基矢比对单元获取筛后密钥k
a2
；
[0050]
所述接收方bob通过bob基矢比对单元获取筛后密钥k
b2
；
[0051]
所述发送方alice通过alice参数估计单元计算信道容量；
[0052]
所述接收方bob通过bob参数估计单元获取信道参数；
[0053]
所述发送方alice的alice纠错单元和接收方bob的bob纠错单元用于纠正剩余筛后密钥的误码，使得发送方alice和接收方bob持有一致的密钥串；
[0054]
所述发送方alice的alice保密增强单元和接收方bob的bob保密增强单元根据相应纠错单元中所得到的量子误码率压缩比r为量子误码率，q为光子数，qu为总的系统增益，并通过哈希函数算法处理后得到最终的安全密钥比特。
[0055]
优选地，所述发送方alice和接收方bob使用经典信道进行信息交互时，均以数字签名方式确认身份信息，确认信息正确性，确保信息没被篡改。
[0056]
优选地，所述alice基矢比对单元与bob基矢比对单元通过经典信道进行信息交互；
[0057]
所述alice参数估计单元与bob参数估计单元通过经典信道进行信息交互；
[0058]
所述alice纠错单元与bob纠错单元通过经典信道进行信息交互；
[0059]
所述alice保密增强单元与bob保密增强单元通过经典信道进行信息交互。
[0060]
与现有的技术相比，本发明的有益效果为：
[0061]
本发明根据压缩态信号只对一个正交分量压缩的特点，在原有样条协调和多维协调的基础上，提出了一种基于压缩态的适用于宽信噪比(0.01-15)的数据协调方法，提高了在信道受影响时的数据处理能力，减少处理复杂度，提高生成的量子信号利用率，最终提高了密钥生成率。
附图说明：
[0062]
图1是本发明一种基于压缩态的宽信噪比连续变量qkd数据协调方法的总体框图；
[0063]
图2是本发明一种基于压缩态的宽信噪比连续变量qkd数据协调方法的流程图；
[0064]
图3是本发明一种基于压缩态的宽信噪比连续变量qkd数据协调系统的功能架构图；
[0065]
图4是本发明一种基于压缩态的宽信噪比连续变量qkd数据协调系统的硬件架构图。
具体实施方式：
[0066]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明，但本发明要求保护的范围并不局限于下述具体实施例。
[0067]
量子密钥分发通过物理层面的信号传递、接收以及测量之后，发送方和接收方将产生对应的信息。由于这些信息并不完全对应相等，并且存在泄漏信息和出现错误的情况，因此，需要通过数据协调来对出错的信息进行进一步的处理，最后得到共享的安全密钥。而
相较于经典通信，量子密钥分发受于物理层面限制密钥生成率较低，信道受影响程度高，因此要在其他环节高效的处理全部数据。
[0068]
以一个压缩态量子密钥分发系统为例，其信噪比以2为中心正态分布。
[0069]
如图1和图2所示，一种基于压缩态的宽信噪比连续变量qkd数据协调方法，该方法包括如下步骤：
[0070]
s1：发送方alice通过光学系统生成压缩态的量子信号，并记录原始密钥k
a1
，通过量子信道将量子信号发送给接收方bob，接收方bob接收到量子信号后，对量子信号进行探测，并将光信号转化为电信号，以获取原始密钥k
b1
；
[0071]
s2:接收方bob公布检测到量子信号的时刻，发送方与接收方的基矢比对单元进行时间比对，丢弃掉接收方bob的基矢比对单元未接收量子信号时刻对应的密钥比特，并根据选用的量子密钥分发协议内容选择正确的测量基、正确的信号到达时间，保留可用密钥；发送方alice和接收方bob在这一过程所保留的密钥比特分别组成发送方筛后密钥k
a2
、接收方筛后密钥k
b2
；
[0072]
s3：所述发送方alice和接收方bob从筛后密钥k
a2
、k
b2
中随机挑选一小部分在经典信道进行公开的密钥比对，并根据相同的信号占总信号的比例计算该密钥的量子误码率；
[0073]
若量子误码率高于或等于设定的阈值，则舍弃本次传输所有信息比特；若量子误码率小于设定的阈值，则根据信噪比snr以及公式c＝0.5log2(1 snr)计算传输信道信道容量c，并调用纠错单元对剩余的信息比特进行误码纠错；
[0074]
s4：所述发送方alice和接收方bob的纠错单元在经典信道中通过纠错算法纠正剩余筛后密钥的误码，使得发送方和接收方持有一致的密钥串；
[0075]
s41:通信双方alice和bob分别有一组关联的高斯序列码x和y；在进行步骤s3的同时，在发送方alice端和接收方bob端分别通过多级编码和多级译码对高斯序列码x和y进行量化，节省了之后步骤的等待时间，减少了处理时间；
[0076]
假设量化级数为m(m＝4,5,
…
且m为整数)，将实数轴划分为2m个区间，然后对分布在每一个区间里的高斯数划分为m个二进制数,生成m个二进制序列l1,l2,
…
,lm和l
′1,l
′2,
…
,l
′m；
[0077]
s42：接收方bob提取前n级的信息l1,l2,
…
,ln,使用校验矩阵与剩余比特串l
n 1
,
…
,lm分别作用，生成校验子s
n 1
,
…
,sm，并通过经典信道发送给发送方alice；
[0078]
发送方alice以自身的裸码x为边信息，结合接收到的l1,l2,
…
,ln和校验子s
n 1
,
…
,sm，进行迭代译码恢复出密钥。
[0079]
在所述s42中，根据信噪比snr选择量化级数n(4≤n≤m，n为整数)；
[0080]
当1＜snr≤100时，选择量化级数n＝5，采用步骤s42a,所述s42a包括以下步骤：
[0081]
s42a1:接收方bob公开前三级的信息l1,l2,l3，并使用校验矩阵与后两个比特串l4,l5分别作用，生成两个校验子s4,s5；
[0082]
s42a2:接收方bob通过经典信道将前三个比特串l1,l2,l3和校验子s4,s5发送给发送方alice；
[0083]
s42a3:发送方alice以自身的裸码x为边信息，根据接收到的l1,l2,l3和s4计算第4级译码消息的初始概率，进行第4级迭代译码；
[0084]
s42a4:发送方alice成功恢复出第4级密钥l4后，再利用x,l1,l2,l3,l4,s4计算第5
级译码消息的初始概率，进行第5级迭代译码，恢复出第5级密钥l5。
[0085]
上述步骤s42a1-s42a4为经典的样条协调方案，针对高信噪比情况下，此方案具有较好的处理效果和较高的处理速度。
[0086]
当0＜snr≤1时，选择量化级数n＝4，采用步骤s42b，所述s42b包括以下步骤：
[0087]
s42b1:接收方bob公开前两级的信息l1,l2，用校验矩阵与后两个比特串l3,l4分别作用，生成两个校验子s3,s4；
[0088]
s42b2:接收方bob分别将校验子s3,s4中每d个元素组成一个向量，标记为xi和x
′i；发送方alice分别将l
′3,l
′4中每d个元素组成一个向量yi和y
′i；
[0089]
s42b3:双方首先需要对高斯矢量进行归一化
[0090][0091]
式中|xi|、|yi|表示对向量取模；
[0092]
同理，
[0093][0094]
式中|x
′i|、|y
′i|表示对向量取模；
[0095]
s42b4:接收方bob产生一组长度为d且服从均匀分布的随机比特串(b1,b2,
…
,bd,)，然后将此随机比特串转换成d维球面矢量：
[0096][0097]
s42b5:接收方bob进行旋转操作，计算出函数m(y,u),使其满足
[0098]
m(y,u)y＝u；
[0099]
s42b6:接收方bob将函数m(y,u)的信息发送给alice，alice利用接收到的该函数信息计算m(y,u)x＝v；其中y为bob持有信息，x为alice持有信息,v为alice根据函数m将所持信息x转化后的d维球面矢量；
[0100]
上述步骤s4b1-s4b6在原有的数据协调方案上进行了优化，针对压缩态的特点，结合部分样条协调的步骤，减少了处理复杂度的同时，节约了处理器存储空间，提升了成码率，同时有效地解决了之前高信噪比和低信噪比条件下采用数据协调方案过度区间不平滑的问题。
[0101]
s5：所述发送方alice和接收方bob的保密增强单元根据所述纠错单元中执行纠错过程中所得到的速率上限，通过哈希函数算法将窃听者在量子信道与认证的经典信道上获取的信息量缩短，得到最终的安全密钥比特。
[0102]
如图3和4所示，本发明还提供了一种基于压缩态的宽信噪比连续变量qkd数据协调系统，该系统应用了如上述任意一项所述的一种基于压缩态的宽信噪比连续变量qkd数据协调方法，该系统包括：发送方alice和接收方bob，所述发送方alice和接收方bob通过量子信道和经典信道进行连接；
[0103]
所述发送方alice包括alice光学系统、alice上位机和alice处理器；
[0104]
所述alice光学系统、alice上位机和alice处理器依次连接；所述alice光学系统包括光学系统信号发送单元；所述alice上位机包括alice基矢比对单元、alice参数估计单
元；alice处理器包括alice纠错单元和alice保密增强单元；
[0105]
所述接收方bob包括bob光学系统、bob上位机和bob处理器；所述bob光学系统、bob上位机和bob处理器依次连接；所述接收方bob上位机包括bob基矢比对单元和bob参数估计单元；所述bob处理器包括bob纠错单元和bob保密增强单元；
[0106]
所述alice光学系统通过量子信道与bob光学系统连接；所述alice上位机通过经典信道与bob上位机连接；所述alice处理器通过经典信道与bob处理器连接；
[0107]
所述alice基矢比对单元与bob基矢比对单元通过经典信道进行信息交互；
[0108]
所述alice参数估计单元与bob参数估计单元通过经典信道进行信息交互；
[0109]
所述alice纠错单元与bob纠错单元通过经典信道进行信息交互；
[0110]
所述alice保密增强单元与bob保密增强单元通过经典信道进行信息交互。
[0111]
所述发送方alice的光学系统信号发送单元用于生成并发送量子比特，并通知上位机获取原始密钥k
a1
；
[0112]
所述接收方bob的光学系统信号接收单元用于接收量子比特，并通知上位机获取原始密钥k
b1
；
[0113]
所述发送方alice通过alice基矢比对单元结合bob基矢比对单元获取筛后密钥k
a2
；
[0114]
所述接收方bob通过bob基矢比对单元结合alice基矢比对单元获取筛后密钥k
b2
；
[0115]
所述发送方alice通过alice参数估计单元结合bob参数估计单元计算信道容量；
[0116]
所述接收方bob通过bob参数估计单元从alice参数估计单元获取信道参数；
[0117]
所述发送方alice的alice纠错单元和接收方bob的bob纠错单元用于纠正剩余筛后密钥的误码，使得发送方alice和接收方bob持有一致的密钥串；
[0118]
所述发送方alice的alice保密增强单元和接收方bob的bob保密增强单元根据相应纠错单元中所得到的量子误码率计算压缩比r为量子误码率，q为光子数，qu为总的系统增益，并通过哈希函数算法处理后得到最终的安全密钥比特。
[0119]
所述发送方alice和接收方bob使用经典信道进行信息交互时，均以数字签名方式确认身份信息，确认信息正确性，确保信息没被篡改。
[0120]
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对发明构成任何限制。