CN104954122A - 混合基矢的量子秘钥分发后处理方法和处理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合基矢的量子秘钥分发后处理方法，包括以下步骤：发送方和所述接收方分别随机选择X基矢和Z基矢进行量子态的制备和测量，双方进行N轮的量子信号传递后，双方均保存N比特的密钥信息和N比特的基矢信息；发送方和接收方根据基矢信息计算出X基矢数量n_x和Z基矢的数量n_z；发送方和接收方选择一部分密钥进行纠错，得出X和Z基矢密钥比特错误率e_x和e_z，并进行错误验证；根据X基矢数量n_x、Z基矢的数量n_z、密钥比特错误率e_x和e_z计算总相位错误率e，对丢弃基矢信息后的密钥进行保密放大，得到最终的密钥和成码率。本发明具有如下优点：不需要对X和Z基矢密钥分别进行保密放大过程，减少存储空间；利用纠错过程得到的X和Z基矢密钥比特错误率e_x和e_z来计算e可以在n_x和n_z偏差较大的时候更准确得到e的值。

Description

混合基矢的量子秘钥分发后处理方法和处理系统

技术领域

本发明涉及量子秘钥分发领域，具体涉及一种混合基矢的量子秘钥分发后处理方法和处理系统。

背景技术

量子密钥分发是量子信息技术中最有应用前景的技术之一。随着量子信息技术的发展，量子密钥分发系统已经在实验中实现。量子密钥分发系统主要包含两部分，一是硬件部分，包括发送、接收和测量装置；二是软件以及数据的后处理。在量子密钥分发协议中，发送方利用发送装置制备相应的量子态，并通过共用信道传递给接收方。接收方利用接收装置接收并测量量子信号。通过物理层面的过程，发送方和接收方可以产生对应的密钥。通过物理层面产生的密钥对于发送方和接收方而言还并不是完全相同的。另外，由于潜在的窃听者的干扰和物理装置的不完美，密钥可能有错误，甚至其一部分信息已经泄露。因此，通过物理层面产生的密钥还需要进行后处理。后处理过程仅仅需要经典的信息传递和局部的信息处理，可以通过软件来完成。后处理过程中最重要的两个步骤是纠错与保密放大，纠错过程是一个经典的信息比对过程，该过程得到密钥的比特错误率，并以此估计保密放大过程所需的相位错误率。

目前的后处理过程中，一种技术是保留基矢信息，在保密放大步骤分别输入X与Z基矢密钥的相位错误率，并进行保密放大过程。另一种技术是混合基矢条件下，可以实际测出纠错过程所需的密钥的比特错误率为：

$e_{QBER}=\frac{n_x}{n_x+n_z}{e}_x+\frac{n_z}{n_x+n_z}{e}_z$

其中n_x和n_z分别是产生的密钥中采用X基矢和Z基矢发送(接收)的数量，e_x和e_z分别是第一密钥和第二密钥的比特错误率，并以e_QBER来估计保密放大过程所需的相位错误率e。

在保留基矢信息的后处理过程中，需要占用较大存储空间，且需要分别对X与Z基矢密钥进行保密放大；混合基矢条件下，只需输入总相位错误率进行一次保密放大过程，但现有技术中无法测量总相位错误率，采用e_QBER来估计e会有偏差，尤其是当n_x和n_z数量差距较大时，偏差严重。

发明内容

本发明旨在至少解决上述技术问题之一。

为此，本发明的第一个目的在于提出一种混合基矢的量子秘钥分发后处理方法。

本发明的第二个目的在于提出一种混合基矢的量子秘钥分发后处理系统。

为了实现上述目的，本发明的实施例公开了一种混合基矢的量子秘钥分发后处理方法，包括以下步骤：A.发送方和接收方进行N轮的量子信号传递，根据所述N轮的量子信号传递所述发送方与所述接收方均保存有N比特的密钥信息和N比特的基矢信息；B.所述发送方和所述接收方分别随机选择X基矢和Z基矢进行量子态的制备，根据所述X基矢计算出所述X基矢数量n_x，根据所述Z基矢所计算出所述Z基矢的数量n_z；C.所述发送方和所述接收方根据所述N比特的密钥信息进行纠错，得出X基矢密钥比特错误率e_x和Z基矢密钥比特错误率e_z，并分别对所述e_x和所述e_z进行错误验证；D.根据所述X基矢数量n_x、所述Z基矢的数量n_z、第一密钥比特错误率e_x和第二密钥比特错误率e_z计算总相位错误率e，所述总相位错误率e的计算公式为：

$e=\frac{n_z}{n_x+n_z}{e}_x+\frac{n_x}{n_x+n_z}{e}_z$

这个公式是本申请的核心公式，它的推导过程如下：根据Phys.Rev.A 81.012318，Phys.Rev.Lett.85.441两篇文献中的结论，当无限码长且忽略统计涨落的情况下，可以认为X,Z基矢密钥的比特错误率和相位错误率有如下关系：其中分别是X,Z基矢的相位错误率。在传统方法对X,Z基矢分别进行保密放大过程中，最终得到的成码率下界为

$\begin{array}{c}{n}_x\[1-H\left(e_x^p\right)\]+n_z\[1-H\left(e_z^p\right)\]\\ =n_x\[1-H\left(e_z\right)\]+n_z\[1-H\left(e_x\right)\]\\ =(n_x+n_z)\[1-\frac{n_x}{n_x+n_z}H\left(e_z\right)-\frac{n_z}{n_x+n_z}H\left(e_x\right)\]\end{array}$

由于香农熵函数H(x)＝-xlog₂(x)-(1-x)log₂(1-x)的凸性，又有如下关系

$\begin{array}{c}(n_x+n_z)\[1-\frac{n_x}{n_x+n_z}H\left(e_z\right)-\frac{n_z}{n_x+n_z}H\left(e_x\right)\]\≥(n_x+n_z)\[1-H(\frac{n_x}{n_x+n_z}{e}_z+\frac{n_z}{n_x+n_z}{e}_x)\]\\ =(n_x+n_z)\[1-H\left(e\right)\]\\ =n\[1-H\left(e\right)\]\end{array}$

对照最初的成码率下界表达式，新的下界为n[1-H(e)]，因此可以看出混合基矢的相位错误率为

$e=\frac{n_z}{n_x+n_z}{e}_x+\frac{n_x}{n_x+n_z}{e}_z$

根据本发明实施例的混合基矢的量子秘钥分发后处理方法，与利用实验测得的总比特错误率e_QBER来估计总相位错误率e相比，利用纠错过程得到的X和Z基矢密钥比特错误率e_x和来计算e可以在n_x和n_z偏差较大的时候更准确得到e的值。

e_z另外，根据本发明上述实施例的混合基矢的量子秘钥分发后处理方法，还可以具有如下附加的技术特征：

进一步地，在步骤B中，计算所述X基矢数量n_x后所述发送方丢弃所述X基矢，计算所述Z基矢的数量n_z后所述发送方丢弃所述Z基矢。

为了实现上述目的，本发明的实施例公开了一种混合基矢的量子秘钥分发后处理系统，其特征在于，包括：量子信号传递模块，用于在发送方和接收方之间传递量子信号；密钥信息获取模块，用于在所述发送方和所述接收方经过N轮的量子信号传递后获取N比特的密钥信息并保存在所述发送方和所述接收方；基矢信息获取模块，用于在所述发送方和所述接收方经过N轮的量子信号传递后获取N比特的基矢信息并保存在所述发送方和所述接收方；基矢数量计算模块，用于根据所述发送方随机选取的X基矢、所述接收方随机选取Z基矢和所述发送方和所述接收方的量子信号传递数量计算所述X基矢的基矢数量和所述Z基矢的基矢数量；密钥比特错误率计算模块，用于根据所述密钥信息计算所述发送方和所述接收方共享的密钥中，第一密钥和第二密钥的比特错误率；总相位错误率计算模块，用于根据所述X基矢的基矢数量、所述Z基矢的基矢数量、所述发送方和所述接收方所共享的密钥中，第一密钥和第二密钥的比特错误率计算总相位错误率；以及最终成码率计算模块，用于根据所述总相位错误率计算最终成码率。

根据本发明实施例的混合基矢的量子秘钥分发后处理系统，与利用实验测得的总比特错误率e_QBER来估计总相位错误率e相比，利用纠错过程得到的第一密钥和第二密钥的比特错误率e_x和e_z来计算e可以在n_x和n_z偏差较大的时候更准确得到e的值。

另外，根据本发明上述实施例的混合基矢的量子秘钥分发后处理系统，还可以具有如下附加的技术特征：

进一步地，还包括密钥比特错误率验证模块，用于对用X基矢发送并接收的所述第一密钥的比特错误率和Z基矢发送并接收的所述第二密钥的比特错误率进行错误验证。

进一步地，所述基矢信息获取模块还用于在所述密钥比特错误率计算模块计算所述X基矢比特错误率和所述Z基矢比特错误率后，舍弃所述基矢信息。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明混合基矢后处理过程的流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

以下结合附图描述根据本发明实施例的混合基矢的量子秘钥分发后处理方法。

图1是本发明混合基矢后处理过程的流程图。请参考图1，在量子密钥分发协议中，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。由于这些信息并不对应相等，并且存在泄漏信息和错误，我们还需要后处理来对这些信息进行加工，最后得到安全的共享密钥。混合基矢条件下的后处理过程如下：

1.当发送方和接收方通过N轮的量子信号传递之后，发送方与接收方均保存有N比特的密钥信息和N比特的基矢信息，如果发送方采用诱骗态技术制备和发送量子态，则其将额外保存有N比特的诱骗态信息。丢弃失败探测。

2.密钥筛选：发送方和接收方通过通讯以及局部的后处理使得双方共享相同密钥。注意，此处的密钥在理论上是相同的，但由于实际的误差还是可能不同。密钥筛选过程结束后，通信双方计算出X基矢和Z基矢的数量n_x和n_z并舍弃基矢信息。

3.纠错：由于装置的不完美性以及其他干扰，发送方和接收方共享的密钥可能存在一定的错误。因此，他们需要对共享的密钥进行纠错，从而使得共享密钥完全一样。得出第一密钥和第二密钥的比特错误率e_x和e_z

4.错误验证：发送方和接收方通过错误验证来保证他们共享的密钥是完全一致的。如果错误验证失败，将重新回到步骤2或者直接终止协议。

5.由公式e_z计算出总相位错误率，进行保密放大，最终成码率为(n_x+n_z)[1-H(e)]。由于香农熵函数H(x)＝-xlog₂(x)-(1-x)log₂(1-x)的凸性，该成码率会低于分基矢保密放大的成码率n_x[1-H(e_x)]+n_z[1-H(e_z)]。

以下结合附图描述根据本发明实施例的混合基矢的量子秘钥分发后处理系统。

一种混合基矢的量子秘钥分发后处理系统，包括：量子信号传递模块，用于在发送方和接收方之间传递量子信号；密钥信息获取模块，用于在所述发送方和所述接收方经过N轮的量子信号传递后获取N比特的密钥信息并保存在所述发送方和所述接收方；基矢信息获取模块，用于在所述发送方和所述接收方经过N轮的量子信号传递后获取N比特的基矢信息并保存在所述发送方和所述接收方；基矢数量计算模块，在双方比对基矢，并舍弃不同基矢的密钥后，计算所述X基矢数量和所述Z基矢数量；密钥比特错误率计算模块，用于根据所述密钥信息计算所述双方所共享密钥的，X基矢密钥比特错误率和Z基矢密钥比特错误率；总相位错误率计算模块，用于根据所述X基矢的基矢数量、所述Z基矢的基矢数量、第一密钥和第二密钥的比特错误率计算总相位错误率；以及最终成码率计算模块，用于根据所述总相位错误率计算最终成码率。

在本发明的一个实施例中，还包括密钥比特错误率验证模块，用于对第一密钥和第二密钥的比特错误率进行错误验证。

在本发明的一个实施例中，基矢信息获取模块还用于在密钥比特错误率计算模块计算X和Z基矢密钥比特错误率后，舍弃基矢信息。量子秘钥分发后处理过程中减少存储空间，丢弃基矢信息，在混合基矢条件下进行后处理。

另外，本发明实施例的混合基矢的量子秘钥分发后处理方法和处理系统的其它构成以及作用对于本领域的技术人员而言都是已知的，为了减少冗余，不做赘述。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。

Claims (5)

1.一种混合基矢的量子秘钥分发后处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

A.发送方和所述接收方分别随机选择X基矢和Z基矢进行量子态的制备和测量，双方进行N轮的量子信号传递后，均保存有N比特的密钥信息和N比特的基矢信息；

B.双方进行基矢比对，丢弃掉发送和接收量子信号时基矢不相同的密钥，根据剩余密钥的基矢信息计算出X基矢数量n_x，Z基矢的数量n_z，并丢弃基矢信息。

C.所述发送方和所述接收方根据所述N比特的密钥信息进行纠错，得出X基矢密钥(后文中将其称为第一密钥)比特错误率e_x和Z基矢密钥(后文中将其称为第二密钥)比特错误率e_z，并分别对所述e_x和所述e_z进行错误验证；

D.根据所述X基矢数量n_x、所述Z基矢的数量n_z、所述X基矢密钥比特错误率e_x和所述Z基矢密钥比特错误率e_z计算总相位错误率e，所述总相位错误率e的计算公式为：

$e=\frac{n_z}{n_x+n_z}{e}_x+\frac{n_x}{n_x+n_z}{e}_z$

对丢弃基矢信息后的密钥进行保密放大，得到最终成码率，所述最终成码率为(n_x+n_z)[1H(e)]，其中H(x)＝xlog₂(x)(1x)log₂(1x)。

2.根据权利要求1所述的混合基矢的量子秘钥分发后处理方法，其特征在于，在步骤B中，计算X基矢数量，Z基矢的数量n_z后双方丢弃基矢信息。

3.一种混合基矢的量子秘钥分发后处理系统，其特征在于，包括：

量子信号传递模块，用于在发送方和接收方之间传递量子信号；

密钥信息获取模块，用于在所述发送方和所述接收方经过N轮的量子信号传递后获取N比特的密钥信息并保存在所述发送方和所述接收方；

基矢信息获取模块，用于在所述发送方和所述接收方经过N轮的量子信号传递后获取N比特的基矢信息并保存在所述发送方和所述接收方；

基矢数量计算模块，用于根据所述发送方随机选取的X基矢、所述接收方随机选取Z基矢和所述发送方和所述接收方的量子信号传递数量计算所述X基矢的基矢数量和所述Z基矢的基矢数量；

密钥比特错误率计算模块，用于根据所述密钥信息计算所述发送方和所述接收方共享的密钥中，第一密钥和第二密钥的比特错误率；

总相位错误率计算模块，用于根据所述X基矢的基矢数量、所述Z基矢的基矢数量、所述发送方和所述接收方所共享的密钥中，第一密钥和第二密钥的比特错误率计算总相位错误率；

最终成码率计算模块，用于根据所述总相位错误率计算最终成码率。

4.根据权利要求3所述的混合基矢的量子秘钥分发后处理系统，其特征在于，还包括密钥比特错误率验证模块，用于对用X基矢发送并接收的所述第一密钥的比特错误率和Z基矢发送并接收的所述第二密钥的比特错误率进行错误验证。

5.根据权利要求3所述的混合基矢的量子秘钥分发后处理系统，其特征在于，所述基矢信息获取模块还用于在所述密钥比特错误率计算模块计算第一密钥和第二密钥的比特错误率后，舍弃所述基矢信息。