CN105164943B - 在量子密钥分配协议的实现中使用双缓冲方案生成原始密钥的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种量子密钥分配(QKD)系统中的接收器，所述接收器包括：量子光学单元，该量子光学单元被构造成从该QKD系统的发送器接收量子信号，基于基础序列对所述量子信号进行调制，并且通过检测经调制的量子信号来输出检测信息。该接收器还包括信号处理器，该信号处理器被构造成基于双缓冲方案通过使用所述检测信息和所述基础序列来生成原始密钥。
Description
技术领域
本公开在一个或更多个实施方式中涉及在量子密钥分配(QKD:quantum keydistribution)协议的实现中通过使用双缓冲方案生成原始密钥的方法及装置。更具体地，本公开涉及通过使用双缓冲方法来提高QKD系统的密钥生成速度来生成原始密钥的方法及装置。
背景技术
这部分的陈述仅仅提供与本公开相关的背景信息并且不构成现有技术。
量子密钥分配(Quantum Key Distribution，QKD)系统通过防止以量子不确定性(随机性)的方式的窃听攻击，帮助用户在发送器和接收器之间安全地共享密钥。QKD系统通过使用量子通信来生成原始密钥，计算该原始密钥的量子比特误码率(QBER:Quantum Biterror Rate)，生成经筛选的密钥，并且对所述经筛选的密钥执行误差校正和隐私放大，以生成最终秘密密钥(Secret Key)。
在一些方案中，QKD系统的原始密钥生成处理通过在完成量子信号的传输之后过滤在正常情况下检测到的事件生成原始密钥。在这种情况下，执行过滤所花费的时间增加了执行QKD所花费的时间。此外，由于QKD系统从极大量的数据中过滤检测事件，因此过滤时间占据执行QKD的总时间的大部分并且因此潜在地降低了QKD的效率。
发明内容
技术问题
因此，已经努力做出本公开来有效解决上述限制并提供一种生成原始密钥的方法。本公开的至少一种实施方式基于量子密钥分配(QKD)系统的操作环境重复在比预设原始密钥生成时间短的周期中执行的原始密钥生成处理，并且通过使用双缓冲方案同时执行量子信号传输处理和检测事件发生信息过滤处理。另外，该实施方式基于双缓冲方案通过操作原始密钥存储器执行原始密钥存储处理和QKD协议的实现这两者。这防止了当QKD系统生成原始密钥时执行过滤所花费的时间以及操作QKD协议和后期处理协议所花费的时间加到执行QKD的总时间，从而提高了QKD系统的整体效率。
解决方案
根据本公开的某些实施方式，一种量子密钥分配(QKD)系统中的接收器，该接收器包括量子光学单元：该量子光学单元被构造成从该QSK系统的发送器接收量子信号，基于预设基础序列调制所述量子信号，并且通过检测经调制的量子信号来输出检测信息。该接收器还包括信号处理器，该信号处理器被构造成基于双缓冲方法通过使用所述检测信息和所述基础序列来生成原始密钥。
根据本公开的一些实施方式，一种量子密钥分配(QKD)系统中的发送器，该发送器包括：信号处理器，该信号处理器被构造成生成并存储任意量子信息，并且基于双缓冲方案通过使用从该QSK系统的接收器接收的所述量子信息和检测事件发生信息生成原始密钥。该发送器还包括量子光学单元，该量子光学单元被构造成通过使用量子信道向所述接收器发送基于所述量子信息经调制的量子信号。
根据本公开的一些实施方式，提供一种由量子密钥分配(QKD)系统的发送器和接收器生成原始密钥的方法。该方法包括以下步骤：在该接收器，从所述发送器接收量子信号，基于基础序列调制所述量子信号，通过检测所述经调制的量子信号输出检测事件发生信息并且与所述发送器共享所述检测事件发生信息。该方法还包括以下步骤：由所述发送器和所述接收器中的至少一方基于双缓冲方案通过使用所述检测事件发生信息和所述基础序列生成原始密钥。
有益效果
本公开的至少一个实施方式基于所述QKD系统的运行环境重复在比预设原始密钥生成时间短的周期中执行的原始密钥生成处理。另外，至少一个实施方式通过基于双缓冲方案操作原始密钥存储器，交替地执行原始密钥存储处理和实现QKD协议这两者。这防止了当QKD系统产生原始密钥时执行过滤所花费的时间以及操作QKD协议和后期处理协议所花费的时间被加到执行QKD的总时间，并且因而提高了QKD系统的整体效率。
在一些实施方式中，在生成所述原始密钥和所述最终秘密密钥的处理中，QKD系统使用双缓冲方案，该双缓冲方案通过使用集成在信号处理器内部的静态存储器(StaticMemory)或高速缓冲存储器(Cache Memory)避免了对用于生成原始密钥的单独的大容量外部存储器的需要，使得存储在存储器中的信息能够快速地被处理。
附图说明
图1是根据本公开的至少一种实施方式的量子密钥分配(QKD)系统的示意性框图。
图2是根据本公开的至少一种实施方式的发送器的信号处理器的示意性框图。
图3是根据本公开的至少一种实施方式的接收器的信号处理器的示意性框图。
图4是根据本公开的至少一种实施方式生成原始密钥的方法的流程图。
图5是用于描述根据本公开的至少一种实施方式通过使用双缓冲方案生成原始密钥的方法的示例图。
图6是用于描述根据本公开的至少一种实施方式通过使用双缓冲方案生成原始密钥和秘密密钥的方法的示例图。
(附图标记)
110：发送器 112：发送器信号处理器
114：发送器量子光学单元 120：接收器
122：接收器信号处理器 124：接收器量子光学单元
130：开放信道 140：量子信道
210：随机数生成器 220：集成电路
222：第一存储器 224：第二存储器
226：原始密钥提取器 228：第一原始密钥存储器
229：第二原始密钥存储器 230：生成计数器
240：检测计数器
具体实施方式
下面，将参照附图详细描述本公开的至少一种实施方式。
本公开提出一种在基于量子密钥分配(Quantum Key distribution，QKD)系统的运行环境通过在比预设原始密钥生成时间短的周期内重复生成原始密钥而生成原始密钥的处理中提高QKD系统的效率的方法，所述QKD系统还应用双缓冲方案。
本公开还提出了一种用于通过对QKD协议操作处理额外应用双缓冲方案并因此在执行量子信号发送处理的同时不但执行原始密钥生成处理而且执行最终秘密密钥生成处理来提高QKD系统的效率的方法。
图1是根据本公开的至少一种实施方式的QKD系统的示意性框图。下面的描述将集中于QKD系统的QKD处理中的原始密钥生成阶段。
QKD系统包括发送器110和通过开放或公共信道130和量子信道140连接到发送器110的接收器120。公共信道130用于发送器110和接收器120之间的数据通信，并且是通过例如因特网、携带强大光脉冲的光纤中的一种或更多种、或者用于数据通信的任何其它装置来实现。量子信道140在从发送器110向接收器120发送量子信号的处理中使用。
发送器110包括信号处理器112和量子光学单元114。
信号处理器112通过使用随机数生成器210(图2)生成任意量子信息，并且存储所生成的量子信息。在这种情况下，使用随机数生成器210生成的量子信息包括随机数序列(比特序列(Bit Sequence))、基础序列(Basis Sequence)和诱饵序列(Decoy Sequence)中的至少一项。在此之后，信号处理器112将该量子信息发送到量子光学单元114。信号处理器112包括例如包括存储器、输入/输出端口和处理单元在内的任何计算装置，并且用来例如生成并存储所需信息(例如，最终秘密密钥)。在一个或更多个实施方式中，信号处理器112包括或运行使得能够与接收器120通过公共信道130通信的通信机制。
当通过公共信道130从接收器120接收到检测事件发生信息时，信号处理器112通过使用该检测事件发生信息和量子信息生成原始密钥。由信号处理器112从接收器120接收到的检测事件发生信息包括位置信息，该位置信息的检测事件在生成原始密钥的处理中通过接收器120在检测信息内部被提取为正常。信号处理器112利用检测事件发生信息来提取映射到该检测事件发生信息的随机数序列，并且基于所提取的随机数序列生成并存储原始密钥。信号处理器112在提取映射到该检测事件发生信息的随机数序列的处理中提取并存储与所提取的随机数序列相对应的量子信息作为原始密钥。
根据本公开的至少一种实施方式的信号处理器112通过使用双缓冲方案来生成原始密钥。该双缓冲方案用于同时存储并处理数据，其中，处理单元被构造成在数据正被存储在第一缓冲器中的同时处理第二缓冲器的数据。为此，根据本公开的至少一种实施方式的QKD系统被构造成基于QKD系统的运行环境在时间上比预设原始密钥生成时间T短的特定周期t期间生成原始密钥。因此，QKD系统在预设原始密钥生成时间期间反复执行原始密钥生成处理。在至少一个实施方式中，发送器110的信号处理器112在预设原始密钥生成时间期间基于特定周期生成并存储量子信息，并且通过使用该量子信息和该检测事件发生信息反复提取并存储原始密钥。根据本公开的至少一种实施方式，双缓冲使用在信号存储器112的集成电路的存储器中以预设比率分配的多个存储区域来执行。例如，在多个存储区域中的任一个存储区域中，例如，在第一存储区域中，信号处理器112在时间上比预设原始密钥生成时间短的特定周期内执行原始密钥生成处理，并且控制在原始密钥生成处理期间收集的量子信息和检测事件发生信息的存储。在此之后，当特定周期已过去并且新周期开始时，则信号处理器112在另一存储区域中，例如，在第二存储区域中，存储新收集的量子信息和检测事件发生信息。此外，与此同时，信号处理器112从在前一周期中存储在前一(例如，第一)存储区域中的量子信息和检测事件发生信息中提取原始密钥。这样，根据本公开的至少一种实施方式的QKD系统能够通过消除或减小提取原始密钥所花费的时间贡献于执行QKD所花费的总时间来提高其效率。另外，在一个或更多个实施方式中，QKD系统使用现有的存储器生成原始密钥，而无需额外提供大容量存储设备。
信号存储器112通过使用在其中集成的存储区域中分配的原始密钥存储器来存储原始密钥。该原始密钥存储器存储所提取的原始密钥并且附加地存储与原始密钥相对应的量子信息。信号处理器112在经过了预设原始密钥生成时间之后基于存储在多个原始密钥存储器的其中一个中的原始密钥生成最终原始密钥。例如，信号处理器112在经过了预设原始密钥生成时间(T)之后基于在原始密钥存储器中存储的原始密钥生成最终原始密钥。根据至少一种实施方式的本公开提供了多个原始密钥存储器，该多个原始密钥存储器用于与使用所存储的原始密钥执行QKD协议和后期处理协议并行地存储原始密钥。例如，信号处理器112基于存储在一个原始密钥存储器中的原始密钥执行QKD协议的剩余部分和后期处理协议。在此同时，信号处理器112在另一个原始密钥存储器中存储从量子信息和检测事件发生信息提取的原始密钥。
根据本公开的至少一种实施方式的信号处理器112通过减小原始密钥生成周期并且对原始密钥生成处理应用双缓冲方案，使用集成在信号处理器112的集成电路中的静态存储器或高速缓冲存储器在无需额外使用大容量外部存储器的情况下执行原始密钥生成处理。这在一个或更多个实施方式中使得能够在信号处理器112的集成电路和存储器之间进行更加有效的通信，并接着提高原始密钥生成处理的性能。
当根据本公开的至少一种实施方式的QKD系统使用诱饵方案来运行时，信号处理器112针对每个量子信号类型例如量子信号的强度，对存储在多个存储区域中的信息和存储在原始密钥存储器中的信息进行累计计数。该诱饵方案-QKD系统利用基于诱饵序列任意修改从脉冲激光源生成的激光的振幅的方法。在一些实施方式中，诱饵方案执行三步振幅调制。为了在QKD系统中实现诱饵方案，在原始密钥生成时间期间基于量子信号的类型计算正常检测事件与生成信号的比率。在一些情形下，由于在存储在存储器中的信息仅在特定周期期间有效的情况下应用的双缓冲方案，对这种计算的执行方面有关注。因此，根据本公开的至少一个实施方式的信号处理器112根据每个量子信号的类型对存储在多个存储区域中的信息和存储在原始密钥存储器中的信息进行累计计数，并因此运行以针对每个量子信号类型计算正常检测事件与所生成的信号的比率。可见，根据本公开的至少一种实施方式的QKD系统可以基于诱饵方案来实现。
量子光学单元114使用量子信道140向接收器120发送基于从信号处理器112接收的量子信息而经调制的量子信号。为此，该量子光学单元114在一个或更多个实施方式中包括：脉冲激光源，该脉冲激光源被构造成输出光学脉冲序列；马赫-曾德耳干涉仪(Mach-Zehnder Interferometer)或迈克尔逊干涉仪(Michelson Interferometer)，其被用于使用具有不同长度的两个路径生成一对在时间上分离的光学脉冲；相位调制器，该相位调制器位于干涉仪的路径中的任何一个路径上；以及可变光衰减器，该可变光衰减器被构造成将每脉冲光子平均数降低至适当的水平。包括在量子光学单元114中的组件在一个或更多个实施方式中依赖于协议、编码方案及其可能的实施而不同。
该接收器120包括信号处理器122和量子光学单元124。
信号处理器122通过使用随机数生成器310(图3)生成任意量子信息例如基础序列，并且存储所生成的基础序列。在此之后，信号处理器122将该基础序列发送到量子光学单元124。接收器120包括例如包括存储器、输入/输出端口和构造成管理用于生成并存储所需信息(例如，最终秘密密钥)的处理单元在内的计算机。在一个或更多个实施方式中，信号处理器112包括或运行使得能够与发送器110通过公共信道130进行通信的通信机制。
另外，信号处理器122基于通过量子信道140从发送器110接收到的量子信号从量子光学单元124接收由量子光学单元124检测到的检测信息，并且通过使用所接收到的检测信息和基础序列生成原始密钥。在一个或更多个实施方式中，信号处理器122检测哪里已经发生了正常检测事件，并且通过过滤仅检测到的事件来生成并存储原始密钥。在一个或更多个实施方式中，信号处理器122另外提取并存储与所检测到的事件相对应的基础序列。
根据本公开的至少一种实施方式的信号处理器122通过对原始密钥生成处理应用双缓冲方案来生成原始密钥。基于比预设原始密钥生成时间短的特定周期，信号处理器122在预设原始密钥生成时间期间通过使用该检测信息和该基础序列来重复地执行对检测信息和所生成的基础序列的存储的操作、以及原始密钥的生成和存储的操作。根据本公开的至少一种实施方式的信号处理器122通过使用在信号处理器122中的集成电路的存储区域中以预设比率来分配的多个存储区域执行双缓冲。例如，在多个存储区域中的任一个存储区域中，例如，在第一存储区域中，信号处理器122在比预设原始密钥生成时间短的特定周期内执行原始密钥生成处理，并且控制在原始密钥生成处理期间收集的基础序列和检测信息的存储。在此之后，当特定周期已过去并且新周期开始时，信号处理器122将新收集的基础序列和检测信息存储在另选存储区域中，例如，在第二存储区域中。此外，同时，信号处理器122通过使用前一周期中存储在前一(例如，第一)存储区域中的基础序列和检测信息提取原始密钥。
在至少一个实施方式中，信号存储器122通过使用在其中集成的存储器中分配的原始密钥存储器来存储原始密钥。在这种情况下，该原始密钥存储器存储所提取的原始密钥并且附加地存储与原始密钥相对应的多个基础序列。信号处理器122在经过了预设原始密钥生成时间之后基于存储在原始密钥存储器中的原始密钥生成最终原始密钥。本公开的至少一种实施方式提供了多个原始密钥存储器，该多个原始密钥存储器用于与使用原始密钥执行QKD协议和后期处理协议并行地存储原始密钥。
量子光学单元124基于从信号处理器122接收的量子信息(例如基础序列)调制从发送器110接收到的量子信号，并且检测经调制的量子信号以输出检测信息。为此，量子光学单元124在一个实施方式中包括相位调制器和单光子探测器(Single Photo Detector，SPD)。在至少一个实施方式中，SPD可以实现为为在盖革(Geiger)模式下运行的雪崩光电二极管(APD：avalanche photo diode)，并且在偏振调制方案的情况下相位调制器可以用偏振分束器(Polarization Beam Splitter)和偏振滤波器所代替。在至少一个实施方式中，包括在量子光学单元124中的组件可以依赖于协议、编码方案及其考虑的实施而不同。
图2是根据本公开的至少一种实施方式的发送器110的信号处理器112的示意性框图。
如图2中所示，根据本公开的至少一种实施方式的发送器110的信号处理器112包括该随机数生成器210和集成电路220；然而，包括在根据本公开的至少一种实施方式的信号处理器112中的组件并不限于此。
该随机数生成器210是构造成生成特定大小的随机数的硬件或程序，并生成任意量子信息。随机数生成器210生成的量子信息包括随机比特序列、基础序列和诱饵序列中的至少一项。
该集成电路220是构造成控制由发送器110执行的功能的硬件装置。根据本公开的至少一种实施方式的集成电路220包括第一存储器222、第二存储器224、原始密钥提取器226、第一原始密钥存储器228和第二原始密钥存储器229。第一存储器222和第二存储器224以及第一原始密钥存储器228和第二原始密钥存储器229以预设比率在静态存储器(例如静态随机接入存储器(Static Random Access Memory，SRAM))中分配，或者在嵌入在集成电路220中的高速缓冲存储器中分配。
第一存储器222和第二存储器224存储量子信息和检测事件发生信息。具体地，当应用了双缓冲方案时，第一存储器222和第二存储器224基于比预设原始密钥生成时间(T)短的特定周期(t)交替地存储量子信息和检测事件发生信息。例如，当第一存储器222在特定周期期间存储在原始密钥生成处理中收集的量子信息和检测事件发生信息时，所收集的量子信息和检测事件发生信息在随后周期期间被存储在第二存储器224中。存储在第一存储器222和第二存储器224的每个存储器中的信息在特定周期(t)期间被保持，然后被去除。
原始密钥提取器226通过交替地使用交替地存储在第一存储器222或第二存储器224中的量子信息和检测事件发生信息来提取原始密钥。原始密钥提取器226进行控制，以在比预设原始密钥生成时间短的特定周期(t)期间在第一存储器222或第二存储器224中(例如，在第一存储器222中)存储在原始密钥生成处理中收集的量子信息和检测事件发生信息。在此之后，如果特定周期已经过去并且新周期开始，则原始密钥提取器226进行控制以在另一存储器中(例如，在第二存储器224中)存储新收集的量子信息和检测事件发生信息。此外，同时，原始密钥提取器226通过从在前一周期中存储量子信息和检测事件发生信息的前一存储器(例如，从第一存储器222)中提取原始密钥来执行双缓冲。
通过利用第一原始密钥存储器228和第二原始密钥存储器229，原始密钥提取器226操作以控制以在这两个存储器228和229的其中一个存储器中(例如，在第一原始密钥存储器228中)存储原始密钥，同时通过使用先前存储在另一个原始密钥存储器中(例如，在第二原始密钥存储器229中)的原始密钥来实施QKD协议和后期处理协议。
第一原始密钥存储器228和第二原始密钥存储器229基于双缓冲方案各存储从第一存储器222和第二存储器224提取的原始密钥。例如，第一原始密钥存储器228在预设原始密钥生成时间(T)存储交替地从第一存储器222和第二存储器224提取的原始密钥，并且第二原始密钥存储器229在随后的预设原始密钥生成时间(T)存储交替地从第一存储器222和第二存储器224提取的原始密钥。
生成计数器230基于量子粒子的类型对存储在第一存储器222和第二存储器224中的信息进行累计计数。检测计数器240基于量子粒子的类型对存储在第一存储器228和第二存储器229中的信息进行累计计数。当根据本公开的至少一种实施方式的QKD系统利用诱饵方案来实现时，在原始密钥生成时间期间基于量子信号的类型计算正常检测事件与生成信号的比率。在一些情形下，由于在存储在存储器中的信息仅在特定短周期期间有效的情况下应用的双缓冲方案，对这种计算的执行方面有关注。因此，根据本公开的至少一种实施方式的信号处理器112包括生成计数器230和检测计数器240，并因此运行为针对每个量子信号类型计算正常检测事件与所生成信号的比率。可见，根据本公开的至少一种实施方式的QKD系统可以基于诱饵方案来实现。虽然在图2中例示了单个生成计数器230和单个检测计数器240，但是在一个或更多个实施方式中多个生成计数器和/或检测计数器被用来针对每个量子信号类型对存储在存储器中的信息进行累计计数。
图3是根据本公开的至少一种实施方式的接收器120的信号处理器112的示意性框图。如图3中所示，根据本公开的至少一种实施方式的接收器120的信号处理器122包括随机数生成器310和集成电路320；然而，包括在根据本公开的至少一种实施方式的信号处理器122中的组件并不限于此。
随机数生成器310是被构造成生成特定大小的随机数的硬件或程序，并生成任意量子信息。虽然在图3中随机数生成器310生成基础序列信息作为量子信息，但是量子信息并不限于此。
集成电路320是被构造成控制由接收器120执行的功能的硬件装置。根据本公开的至少一种实施方式的集成电路320包括第一存储器322、第二存储器324、原始密钥提取器326、第一原始密钥存储器328和第二原始密钥存储器329。第一存储器322和第二存储器324以及第一原始密钥存储器328和第二原始密钥存储器329以预设比率在嵌入在集成电路320中的静态存储器(例如，SRAM或高速缓冲存储器)中进行分配。
第一存储器322和第二存储器324存储检测信息和基础序列。具体地，基于双缓冲技术，第一存储器322和第二存储器324交替地存储基于比预设原始密钥生成时间(T)短的特定周期(t)所收集的检测信息和基础序列。存储在第一存储器322和第二存储器324中的每个存储器中的信息在该特定周期(t)期间被保持，然后被去除。
原始密钥提取器326通过使用存储在第一存储器322或第二存储器324中(例如，在第一存储器322中)的检测信息和基础序列来提取原始密钥。原始密钥提取器326进行控制，以在比预设原始密钥生成时间短的特定周期期间在第一存储器322或第二存储器324中存储在原始密钥生成处理中收集的检测信息和基础序列。在此之后，当特定周期已经过去并且新周期开始时，则原始密钥提取器326进行控制以在另一存储器中(例如，在第二存储器324中)存储新收集的检测信息和基础序列。此外，同时，原始密钥提取器326从在前一周期中存储检测信息和基础序列的前一存储器中(例如，从第一存储器322)提取原始密钥。
通过利用第一原始密钥存储器328和第二原始密钥存储器329，原始密钥提取器326运行为进行控制以在两个存储器328和329的其中任一个存储器中(例如，在第一原始密钥存储器328中)存储从第一存储器322和第二存储器324提取的原始密钥，同时通过使用先前存储在另一个原始密钥存储器中(例如，在第二原始密钥存储器329中)的原始密钥来实施QKD协议和后期处理协议。
第一原始密钥存储器328和第二原始密钥存储器329各存储基于存储在第一存储器322和第二存储器324中的信息所提取的原始密钥。换句话说，基于双缓冲技术，第一原始密钥存储器328和第二原始密钥存储器329交替并且存储在预设原始密钥产生时间从第一存储器222和第二存储器224交替地提取的原始密钥。
图4是根据本公开的至少一种实施方式生成原始密钥的方法的流程图。根据本公开的至少一种实施方式的原始密钥生成处理基于QKD系统的运行环境在比预设原始密钥生成时间(T)短的特定周期(t)期间执行。可见，根据本公开的至少一种实施方式的QKD系统针对每个预定周期在预设原始密钥生成时间期间反复执行原始密钥生成处理。
如图4中所例示的，在根据本公开的至少一种实施方式的原始密钥生成方法中，发送器110和接收器120中的各方首先生成任意量子信息(S410)。在步骤S410中，发送器110生成随机数序列、基础序列和诱饵序列中的至少一项，接收器120生成基础序列作为量子信息，但是发送器110和接收器120不限于这些具体操作。
发送器110向接收器120发送基于所生成的量子信息调制的量子信号(S420)。具体地，发送器110通过使用相位调制器和可调光衰减器基于随机数序列、基础序列和诱饵序列中的一项或更多项对从脉冲激光源生成的激光进行调制，从而生成量子信号。发送器110将所生成的量子信号发送到接收器120。
接收器120基于由接收器120生成的量子信息例如基于所生成的基础序列对在步骤S420中接收的量子信号进行调制，并且检测经调制的量子信号以输出检测信息(S430)。在至少一个实施方式中，接收器120通过使用相位调制器基于基础序列对从发送器110接收的多个量子信号进行调制，然后通过使用SPD检测经调制的量子信号以输出检测信息。
接收器120观察在步骤S430中检测到的检测信息中哪里发生了正常检测事件，并且基于观察的结果将检测事件发送信息发送到发送器110(S440)。在至少一个实施方式中，接收器120观察在检测信息中哪里发生了正常检测事件，并且生成检测事件发生信息(例如，该正常检测事件的位置信息)并将该检测事件发生信息发送到发送器110。
接收器120通过使用检测信息和量子信息生成原始密钥(S450)。在至少一个实施方式中，接收器基于在步骤S440中提取的检测事件发生信息仅对在检测信息中哪里发生了正常检测事件进行过滤，以生成原始密钥。在这种情况下，接收器120附加地生成存储与检测到的事件正常发生的位置相对应的基础序列。
发送器110通过使用检测事件发生信息和量子信息生成原始密钥(S460)。即，发送器110在步骤S440中从接收器120接收检测事件发生信息。发送器110利用所接收到的检测事件发生信息来提取映射到该检测事件发生信息的随机数序列，并且基于所提取的随机数序列生成并存储原始密钥。当提取映射到检测事件发生信息的随机数序列时，发送器110附加地生成并存储与所提取的随机数序列相对应的量子信息。
根据本公开的至少一种实施方式的发送器110和接收器120基于QKD系统的运行环境在比预设原始密钥生成时间T短的特定周期t期间反复执行步骤S410至步骤S460。发送器110和接收器120各基于对应的所提取和所存储的原始密钥生成最终原始密钥。在至少一个实施方式中，发送器110和接收器120通过步骤S410至步骤S460通过向原始密钥生成处理应用双缓冲方案来生成原始密钥。
虽然在图4中步骤S410至步骤S460被描述成是顺序执行的，但是步骤S410至步骤S460的顺序并不限于此。在一些实施方式中，图4中所例示的步骤S410至步骤S460可以按照不同的顺序执行，和/或这些步骤中的两个或更多个步骤可以并列执行。可见，图4不限于具体时间序列顺序。
图5是用于描述根据本公开的至少一种实施方式通过使用双缓冲方案生成原始密钥的方法的示意图。
如图5中所例示的，根据本公开的至少一种实施方式的QKD系统被构造成基于QKD系统的运行环境在比预设原始密钥生成时间T短的特定周期t期间执行图4中的步骤S410至步骤S460。可见，QKD系统在预设原始密钥生成时间期间反复执行原始密钥生成处理。根据本公开的至少一种实施方式的QKD系统的发送器110和接收器120可以包括多个存储器，因此可以执行双缓冲处理。例如，发送器110和接收器120在比预设原始密钥生成时间T短的特定周期t期间执行步骤S410至步骤S460，并且进行控制以在多个存储器中的任一个存储中存储当执行步骤S410至步骤S460时收集的信息。在此之后，当特定周期已经经过并且新周期开始时，发送器110和接收器120中的每个在另一存储器中存储在新周期中收集的新信息。此外，同时在新周期中，发送器110和接收器120中的每个从在前一周期中存储在前一存储器中的所收集的信息提取原始密钥。在此之后，发送器110和接收器120中的每个将所提取的原始密钥存储在多个原始密钥存储器中的一个原始密钥存储器中。在经过了预设原始密钥生成时间T之后，发送器110和接收器120中的每个提取存储在原始密钥存储器中的原始密钥，作为最终原始密钥。
图6是用于描述根据本公开的至少一种实施方式通过使用双缓冲方案生成最终原始密钥和最终秘密密钥的方法的示意图。
如图6中所例示的，根据本公开的至少一种实施方式，可以存在执行用于通过使用双缓冲方案存储最终原始密钥并生成最终秘密密钥的方法的两种模式。根据本公开的至少一种实施方式的QKD系统可以在第一模式中利用单个原始密钥存储器并且在第二模式中利用多个原始密钥存储器执行存储最终原始密钥并生成最终秘密密钥的方法。
图6的(a)示出了在传统发送器和接收器中使用单个原始密钥存储器生成最终原始密钥和最终秘密密钥的方法。
如所例示的，QKD系统通过在预设原始密钥生成时间T期间生成最终原始密钥并且在秘密密钥生成周期a(在T到T+a之间)期间使用存储在单个原始密钥存储器中的最终原始密钥来实现QKD协议和后期处理协议，来生成最终秘密密钥。然后，在一个或更多个实施方式中，QKD系统可以反复执行上述用于生成最终原始密钥和最终秘密密钥的处理。
图6的(b)示出了在根据一些实施方式的发送器110和接收器120中使用多个原始密钥存储器生成最终原始密钥和最终秘密密钥的方法。
如所例示的，根据本公开的至少一种实施方式的QKD系统建立预设原始密钥生成时间，因此通过在使用预先生成并且存储的最终原始密钥实现QKD协议和后期处理协议的同时生成并存储最终原始密钥来执行最终秘密密钥的生成。根据本公开的至少一种实施方式的QKD系统包括多个原始密钥存储器并因此在通过使用先前生成并且存储在另一原始密钥存储器中的最终原始密钥实现QKD协议和后期处理协议的同时，将所生成的最终原始密钥存储在一个原始密钥存储器中。可见，QKD系统可以同时生成最终原始密钥和最终秘密密钥。这种模式的操作在一个或更多个实施方式中是可应用的，因为预设原始密钥生成时间T比通过执行QKD协议和后期处理协议来生成最终秘密密钥所花费的时间“a”长，并且在一些实施方式中，其高效性在于用于生成最终秘密密钥所花费的时间比图6的(a)中的第一模式中所花费的时间少得多。
虽然为说明性目的已经描述了本发明的示例性实施方式，但本领域技术人员将理解在不背离本发明的各个特性的情况下，能够进行各种修改、添加和替换。因此，为了简洁和清晰起见，已经描述了本发明的示例性实施方式。因此，本领域技术人员将理解，本发明的范围不受明确描述的上述实施方式的限制。
相关申请的交叉引用
如果适用，本申请根据35U.S.C§119(a)要求2013年10月30日在韩国提交的专利申请No.10-2013-0130525的优先权，该专利申请的全部内容通过引用的方式并入在本文中。另外，该韩国专利申请的全部内容通过引用的方式并入在本文中，由于与基于该韩国专利申请相同的原因，该非临时性申请在除了美国之外的国家要求优先权。
Claims (18)
1.一种量子密钥分配QKD系统中的接收器，所述接收器包括：
量子光学单元，该量子光学单元被构造成
从该QKD系统的发送器接收量子信号，
基于基础序列对所述量子信号进行调制，并且
通过检测经调制的量子信号来输出检测信息；以及
信号处理器，该信号处理器被构造成基于双缓冲方案通过使用所述检测信息和所述基础序列来生成原始密钥，
其中，所述信号处理器包括：
第一存储器和第二存储器；以及
原始密钥提取器，该原始密钥提取器被构造成：
在所述第一存储器中存储所述检测信息和所述基础序列，
在所述第一存储器中存储所述检测信息和所述基础序列的同时，使用存储在所述第二存储器中的所述检测信息和所述基础序列提取所述原始密钥，并且
按照预设周期周期性地切换所述第一存储器和所述第二存储器的角色。
2.根据权利要求1所述的接收器，其中，所述信号处理器还包括
至少一个原始密钥存储器，该原始密钥存储器被构造成存储所述原始密钥。
3.根据权利要求2所述的接收器，其中，
所述信号处理器包括集成电路，该集成电路包括所述原始密钥提取器，并且
所述第一存储器、所述第二存储器和所述至少一个原始密钥存储器在嵌入在所述集成电路中的存储器中以预设比率分配。
4.根据权利要求1所述的接收器，其中，所述预设周期比基于所述QKD系统的运行环境确定的预设原始密钥生成时间短。
5.根据权利要求2所述的接收器，其中，所述原始密钥提取器被构造成与提取所述原始密钥并行地控制通过使用所述第一存储器和所述第二存储器对所述检测信息和所述基础序列的存储。
6.根据权利要求2所述的接收器，其中，
所述至少一个原始密钥存储器包括多个原始密钥存储器，并且
其中，所述原始密钥提取器被构造成与使用所述原始密钥执行QKD协议和执行后期处理协议并行地控制通过使用所述多个原始密钥存储器对所述原始密钥的存储。
7.根据权利要求2所述的接收器，其中，所述原始密钥提取器还被构造成
在所述第一存储器中存储在第一预设周期中所收集的所述检测信息和所述基础序列，
在所述第二存储器中存储在第二预设周期中所收集的所述检测信息和所述基础序列，所述第二预设周期跟随在所述第一预设周期后面，并且
在所述第一存储器中存储在第三预设周期中所收集的所述检测信息和所述基础序列，所述第三预设周期跟随在所述第二预设周期后面。
8.根据权利要求7所述的接收器，其中，所述原始密钥提取器还被构造成
在在所述第二预设周期中所收集的所述检测信息和所述基础序列被存储在所述第二存储器中的同时，
使用先前收集并且存储在所述第一存储器中的所述检测信息和所述基础序列提取所述原始密钥，并且
在在所述第三预设周期中所收集的所述检测信息和所述基础序列被存储在所述第一存储器中的同时，
使用先前收集并且存储在所述第二存储器中的所述检测信息和所述基础序列提取所述原始密钥。
9.根据权利要求8所述的接收器，其中，所述至少一个原始密钥存储器包括第一原始密钥存储器和第二原始密钥存储器，并且所述原始密钥提取器还被构造成
在使用先前生成并且存储在所述第一原始密钥存储器中的最终原始密钥执行QKD协议和后期处理协议的同时，
生成并且在所述第二原始密钥存储器中存储随后的最终原始密钥。
10.一种量子密钥分配QKD系统中的发送器，所述发送器包括：
信号处理器，该信号处理器被构造成生成并存储量子信息，并且基于双缓冲方案通过使用从该QKD系统的接收器接收的量子信息和检测事件发生信息生成原始密钥；以及
量子光学单元，该量子光学单元被构造成通过量子信道向所述接收器发送基于所述量子信息经调制的量子信号，
其中，所述信号处理器包括：
第一存储器和第二存储器；以及
原始密钥提取器，该原始密钥提取器被构造成：
在所述第一存储器中存储所述检测事件发生信息和基础序列，
在所述第一存储器中存储所述检测事件发生信息和所述基础序列的同时，使用存储在所述第二存储器中的所述检测事件发生信息和所述基础序列提取所述原始密钥，并且
按照预设周期周期性地切换所述第一存储器和所述第二存储器的角色。
11.根据权利要求10所述的发送器，其中，所述量子信息包括随机数序列、基础序列和诱饵序列中的至少一项。
12.根据权利要求10所述的发送器，其中，所述信号处理器还包括
至少一个原始密钥存储器，该原始密钥存储器被构造成存储所述原始密钥。
13.根据权利要求12所述的发送器，其中，
所述信号处理器包括集成电路，该集成电路包括所述原始密钥提取器，并且
所述第一存储器、所述第二存储器和所述至少一个原始密钥存储器在嵌入在所述集成电路中的存储器中以预设比率分配。
14.根据权利要求12所述的发送器，其中，所述信号处理器还包括：
至少一个生成计数器，该至少一个生成计数器被构造成针对所述量子信号的各个类型对存储在所述第一存储器和所述第二存储器中的信息进行累计计数；以及
至少一个检测计数器，该至少一个检测计数器被构造成对存储在所述原始密钥存储器中的信息进行累计计数。
15.根据权利要求14所述的发送器，其中，
所述量子信息包括诱饵序列，并且
所述信号处理器被构造成基于由所述生成计数器和所述检测计数器输出的累积计数的信息针对每个量子信号类型计算正常检测事件与所生成信号的比率。
16.一种由量子密钥分配QKD系统的发送器和接收器生成原始密钥的方法，所述方法包括以下步骤：
由所述接收器
从所述发送器接收量子信号，
基于基础序列对所述量子信号进行调制，
通过检测经调制的量子信号输出检测事件发生信息；
与所述发送器共享所述检测事件发生信息；并且
由所述发送器和所述接收器中的至少一方基于双缓冲方案通过使用所述检测事件发生信息和所述基础序列生成原始密钥，
其中，所述接收器将所述检测事件发生信息和所述基础序列存储在第一存储器和第二存储器中，并使用存储在所述第一存储器和所述第二存储器中的所述检测事件发生信息和所述基础序列提取所述原始密钥，并且
其中，所述接收器进一步将所述检测事件发生信息和所述基础序列存储在所述第一存储器中，并且所述接收器在所述第一存储器中存储所述检测事件发生信息和所述基础序列的同时，使用存储在所述第二存储器中的所述检测事件发生信息和所述基础序列提取所述原始密钥，并且所述接收器按照预设周期周期性地切换所述第一存储器和所述第二存储器的角色。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，生成步骤包括与提取所述原始密钥并行地通过使用第一存储器和第二存储器存储所述检测事件发生信息和所述基础序列。
18.根据权利要求16所述的方法，所述方法还包括与使用所述原始密钥执行QKD协议和执行后期处理协议并行地通过使用多个原始密钥存储器存储所述原始密钥。
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Legal Events
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20190117 Address after: geneva Patentee after: ID quantum technologies, Inc. Address before: Seoul, South Kerean Patentee before: SK Telecommunication Co., Ltd. |
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| TR01 | Transfer of patent right |