CN104092536A - 便于硬件实现的量子密钥分发中的信息协调方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及量子信息技术领域，具体涉及一种便于硬件实现的量子密钥分发中的信息协调方法，把进行信息协调的双方设为A和B，A和B预先生成母码和子码后，将母码的基矩阵和行合并的策略存储起来；其中，（1）A和B通过随机采样估计信道的错误率；（2）A和B通过行合并方法选择一个合适的低密度奇偶校验码，A将所求得到的校验子发送给B，X表示A手中的密钥串；（3）B收到后，求出自己手中密钥串Y所对应的校验子。若和相同，则说明A和B拥有相同密钥串。若不同，则B根据进行译码纠错，B将译码结果返回给A，译码成功则协议结束；译码不成功则放弃这段数据。本发明所采用的LDPC码具有准循环结构，便于硬件实现和译码速度快的特点。

Description

便于硬件实现的量子密钥分发中的信息协调方法
技术领域
本发明涉及量子信息技术领域，具体涉及一种便于硬件实现的量子密钥分发中的信息协调方法。
背景技术
量子密钥分发是量子信息科学的重要应用之一。即使窃听者具有无穷的计算能力量子密钥分发也是无条件安全的。量子密钥分发的作用是让合法的通信双方共享一串完全一致的密钥。目前应用最广泛的量子密钥分发协议是BB84协议。量子密钥分发后处理分为信息协调和保密放大两个部分，保密放大旨在减少窃听者可能掌握的信息。当通信双方Alice和Bob在认证的经典信道上完成对基后，为了纠正手中共享密钥可能含有的错误，Alice和Bob执行信息协调协议。信息协调协议的效率是一个大于1的数，这个数越接近于1说明协议的效率越好。
BB84协议的作者提出了BBBSS协议进行信息协调，BBBSS协议基于二分法来进行纠错。由于BBBSS协议不能有效地纠正偶数位错，Brassard和Salvail提出了Cascade协议来进行信息协调。尽管Cascade协议能达到很好的效率，但在Cascade协议中通信双方需要进行大量的交互信息来进行纠错，这影响了量子密钥分发的速度。为了减少通信双方所需要的交互，Pearson基于LDPC码提出了一个信息协调协议。在实际中，信道的错误率可能随着时间而发生改变，这就需要我们所采用的LDPC的码率也随之改变以达到最优的效率。两种常用的用来改变LDPC码码率的方法为打孔和截短。Elkouss等人基于打孔和截短的LDPC码提出了一些信息协调协议。在实际执行打孔和截短方案时，打孔和截短的位置必须仔细地选择，这会引入额外的计算，影响量子密钥分发的速度。此外，打孔方案需要消耗Alice和Bob所拥有的随机密钥。
发明内容
本发明针对现有技术存在实际执行打孔和截短方案时，打孔和截短的位置必须仔细地选择，这会引入额外的计算，影响量子密钥分发的速度。此外，打孔方案需要消耗Alice和Bob所拥有的随机密钥等问题，提出便于硬件实现的便于硬件实现的量子密钥分发中的信息协调方法。
本发明的技术方案是：一种便于硬件实现的量子密钥分发中的信息协调方法，把进行信息协调的双方设为A和B，A和B预先生成母码和子码后，将母码的基矩阵和行合并的策略存储起来；其中，信息协调步骤如下：
1、A和B通过随机采样估计信道的错误率；
2、A和B通过行合并方法选择一个合适的低密度奇偶校验码。A将所求得到的校验子S1＝H×XT发送给B。X表示A手中的密钥串；
3、B收到S1后，求出自己手中密钥串Y所对应的校验子S2＝H×YT。若S1和S2相同，则说明A和B拥有相同密钥串。若不同，则B根据S1进行译码纠错。B将译码结果返回给A，若译码成功则协议结束；若译码不成功则放弃这段数据。
所述的便于硬件实现的量子密钥分发中的信息协调方法，所述的行合并是基于低密度奇偶校验码。
所述的便于硬件实现的量子密钥分发中的信息协调方法，变量节点度分布利用渐进的边增长算法来构造低密度奇偶校验母码，并通过行合并的方法来生成多个低密度奇偶校验子码，协议通过上述方式改变低密度奇偶校验码的码率。
所述的一种便于硬件实现的量子密钥分发中的信息协调方法，实施行合并时使用渐进的边增长算法来选择合并目标，避免低密度奇偶校验子码生成新短环或增加新生成环的长度。
所述的便于硬件实现的量子密钥分发中的信息协调方法，协议的构造使用的低密度奇偶校验母码和子码的校验矩阵都是由一定数量的子矩阵组成，每个子矩阵是全零矩阵或者是单位矩阵的循环右移转置，这种准循环结构使得母码和子码能够由基矩阵来表示。
所述的便于硬件实现的量子密钥分发中的信息协调方法，所述协议的译码采用分层的置信传播算法。
本发明的有益效果是：本发明基于行合并的LDPC码。所采用的LDPC码具有准循环结构并且可以根据信道的错误率来改变码率，改变码率的过程不会给信息协调过程引入额外的计算量。协议具有低存储量，便于硬件实现和译码速度快的特点。
附图说明
图1为行合并示意图；
图2为校验节点扩展示意图；
图3为协议流程示意图；
其中，图1-图2中，○为变量节点，□为校验节点。
具体实施方式
实施例1：一种便于硬件实现的量子密钥分发中的信息协调方法，把进行信息协调的双方设为A和B，A和B预先生成母码和子码后，将母码的基矩阵和行合并的策略存储起来；其中，信息协调步骤如下：
步骤1，A和B通过随机采样估计信道的错误率；步骤2，A和B通过行合并方法选择一个合适的LDPC(Low Density Parity Check，低密度奇偶校验)码，A将所求得到的校验子S1＝H×XT发送给B，X表示A手中的密钥串；步骤3，B收到S1后，求出自己手中密钥串Y所对应的校验子S2＝H′YT，若S1和S2相同，则说明A和B拥有相同密钥串；若不同，则B根据S1进行译码纠错，B将译码结果返回给A，若译码成功则协议结束；若译码不成功则放弃这段数据。
所述步骤2行合并的方法为：将LDPC码的校验矩阵的行进行相加，LDPC码可以用Tanner图表示，Tanner图中有两类节点，第一类是变量节点，代表LDPC码校验矩阵的列，第二类是校验节点，代表校验矩阵的行。在行合并过程中，为了保留矩阵中‘1’所提供的信息，我们需要注意不要将相同列上有‘1’的行进行合并，也就是说共享变量节点的校验节点不能进行合并。合并的示意图如图1所示。在选择行进行合并时，先选定目标行c1，然后根据PEG(ProgressiveEdge-Growth，渐进的边增长)算法扩展c1邻居的分层情况。扩展c1的邻居如图2所示。若存在c1不可达的校验节点，则选择之，此时可以保证行合并不产生新的环。若不存在c1不可达的校验节点，则选择距离c1最远出现的校验节点，这种情况下可以保证行合并生成的环的长度最大。若上述情况存在多个选择，则随机从候选校验节点中选取。
所述步骤2中采用的LDPC码具有准循环的结构。准循环结构是指LDPC码的校验矩阵都是由若干个子矩阵组成，每个子矩阵是全零矩阵或者是单位矩阵的循环右移转置。为了保持码的准循环结构，在行合并时选择对应的子矩阵相合并，并且不能将两个非零子矩阵进行合并。将矩阵中的全零子矩阵用‘-1’表示，非零子矩阵用循环右移位数表示，基矩阵是由这些‘-1’和循环右移位数所构成的矩阵。假设LDPC码校验矩阵的大小为mp×np，子块的大小为p×p，那么基矩阵的大小为m×n，大大节省了存储空间。
所述步骤2的行合并方法是一个执行信息协调协议前的预备工作，在执行信息协调协议时只需根据信道错误率来选择合适的LDPC码。这种改变码率的方法不会引入额外的计算量。
所述步骤3中的译码采用LBP译码算法。由于协议的采用的LDPC码具有准循环结构，可以按照子块的大小对校验矩阵进行分层。LBP(Layered BeliefPropagation，分层的置信传播)算法对每一层的子矩阵执行置信传播译码算法，然后将迭代信息从上一层传入下一层。这种方法能大幅度提高译码算法的收敛速度，加速译码过程。

Claims (6)

1.一种便于硬件实现的量子密钥分发中的信息协调方法，其特征在于：把进行信息协调的双方设为A和B，A和B预先生成母码和子码后，将母码的基矩阵和行合并的策略存储起来；其中，信息协调步骤如下： 
(1)A和B通过随机采样估计信道的错误率； 
(2)A和B通过行合并方法选择一个合适的低密度奇偶校验码，A将所求得到的校验子S1＝H×XT发送给B，X表示A手中的密钥串； 
(3)B收到S1后，求出自己手中密钥串Y所对应的校验子S2＝H×YT，若S1 和S2相同，则说明A和B拥有相同密钥串，若不同，则B根据S1进行译码纠错，B将译码结果返回给A，若译码成功则协议结束；若译码不成功则放弃这段数据。 
2.根据权利要求1所述的便于硬件实现的量子密钥分发中的信息协调方法，其特征在于：所述的行合并是基于低密度奇偶校验码。 
3.根据权利要求1所述的便于硬件实现的量子密钥分发中的信息协调方法，其特征在于：变量节点度分布利用渐进的边增长算法来构造低密度奇偶校验母码，并通过行合并的方法来生成多个低密度奇偶校验子码，协议通过上述方式改变低密度奇偶校验码的码率。 
4.根据权利要求3所述的一种便于硬件实现的量子密钥分发中的信息协调方法，其特征在于：实施行合并时使用渐进的边增长算法来选择合并目标，避免低密度奇偶校验子码生成新短环或增加新生成环的长度。 
5.根据权利要求3所述的便于硬件实现的量子密钥分发中的信息协调方法，其特征在于：协议的构造使用的低密度奇偶校验母码和子码的校验矩阵都是由一定数量的子矩阵组成，每个子矩阵是全零矩阵或者是单位矩阵的循环右移转置，这种准循环结构使得母码和子码能够由基矩阵来表示。 
6.根据权利要求5所述的便于硬件实现的量子密钥分发中的信息协调方法，其特 征在于：所述协议的译码采用分层的置信传播算法。 
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