CN107682144A - 基于双相位调制和数据后处理的连续变量密钥分发方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于双相位调制和数据后处理的连续变量密钥分发方法，包括以下两个部分：第一部分，双相位调制部分，是指对量子相干态采用两个相位调制器进行信息的调制，从而实现完美的高斯调制；第二部分，先保密加强后密钥协商的新型数据后处理部分，是指在数据后处理阶段先进行保密加强，在进行密钥协商。本发明一方面实现了一种新的调制方式，且新的数据后处理方案可以提高数据后处理的速度，从而提高整个连续变量量子密钥分发系统的安全密钥率。

Description

基于双相位调制和数据后处理的连续变量密钥分发方法
技术领域
本发明涉及一种密钥分发方法，具体地，涉及一种基于双相位调制和数据后处理的连续变量密钥分发方法。
背景技术
在计算机信息技术迅速发展的背景下，信息技术对信息安全性的要求日益增加。由于能够在物理上保证量子通信的无条件安全性，使得量子密钥分发(QKD)作为量子通信的重要分支越来越受到人们的关注。
QKD技术整体上可以分为两类：离散变量量子密钥分发(DVQKD)和连续变量量子密钥分发(CVQKD)。相比离散变量量子密钥分发技术来说，CVQKD有潜在的高码率和经典光纤通信网络非常好的融合性的特点。因此CVQKD吸引了世界范围内许多研究机构对其理论和应用技术进行了深入的研究。也正是由于这些原因，使得连续变量量子密钥分发成为量子通信技术的一个重要研究分支。
目前针对常见的高斯调制CVQKD的调制方式主要集中于，信号被随机地调制在量子态的正则分量，也就是正则幅度和正则动量上。在信号的调制过程中，发送端Alice将待发送的信息调制在量子态的x和p分量上，在CVQKD实际系统中对量子态的调制主要通过光调制实现。光调制器能够对光场的幅度、相位以及偏振等分量进行调制，从而使量子态被调整为人们需要的状态。
在CVQKD系统中，发送端主要利用强度调制器(AM,Amplitude Modulator)和相位调制器(PM,Phase Modulator)这两种调制器对光脉冲信号进行调制。CVQKD系统中利用电光幅度调制器(Electro-Optical Amplitude Modulator)的电光转换效应实现对量子光的幅度进行调制。一种强度调制器的实现方法是通过在马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉结构的一臂中使用光相位调制器来实现。同时利用电光相位调制器(Electro-Optical PhaseModulator)的电光转换效应实现对量子光的相位进行调制。它的基本结构是普尔斯盒。通过先对量子光进行幅度，再进行强度调制，实现对量子相干态的高斯调制。
但是，在实际的器件运用中绝大部分的AM调制器，特别是广泛使用的LiNbO3调制器，都是偏振敏感型调制器。这些调制器中相当于内置了一个偏振器件，只有对准了偏振方向的偏振光才能通过，而没有对准偏振方向的光将不能通过。为了减小这种AM对偏振敏感的特性，本发明在发送端采用两个偏振无关的相位调制器而不是一个偏振相关的幅度调制器和相位调制器来实现一个完整的高斯调制，这样一个双相位的调制方案的调制结果可以等效为经典的GG02协议的高斯调制结果。
同时，目前CVQKD系统的主要瓶颈在数据后处理阶段。如何提高数据后处理的速度是目前亟需解决的问题。传统上的数据后处理阶段分为密钥协商(Key Reconciliation)和保密加强(Privacy Amplification)两部分。在低信噪比的CVQKD系统中，一般采用多维协商方案进行密钥协商，Alice和Bob两端得到两串一样的密钥串。但是在保密加强阶段仍然需要通过保密加强算法压缩掉近90％的密钥串。这样在密钥协商阶段需要对大量的数据进行密钥协商，但是协商出来的密钥大部分需要去掉，这样就会导致后处理的数据处理变得很慢，从而导致整个CVQKD系统的密钥率很低。针对原有方案的不足，本发明提出一种在后处理阶段先进行保密加强，再进行密钥协商的方案，这样一来可以提高数据后处理的速度，从而提高整个CVQKD系统的密钥率。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于双相位调制和数据后处理的连续变量密钥分发方法，其通过优化现有的信息调制技术，改进数据后处理流程，进而提高后处理的数据处理速度，提高整个CVQKD系统的密钥率。
根据本发明的一个方面，提供一种基于双相位调制和数据后处理的连续变量密钥分发方法，其特征在于，包括以下两个部分：
第一部分，双相位调制部分，是指对量子相干态采用两个相位调制器进行信息的调制，从而实现完美的高斯调制，包括以下步骤：
步骤一：Bob制备一个强光作为经典的本振光，并同时使用同一个激光器生成一个经典光，将这束经典光不经过调制就发送到量子信道，一般信道为光纤信道；
步骤二：光脉冲从Bob传输过来经过50/50的光分束器分成两束；一束先通过第一个相位调制器调制，再通过一个法拉第镜反射，另外一束光先通过第二个相位调制器调制，再通过一个法拉第镜反射回来，两束光在BS处产生干涉；这里通过改变两个相位调制器的电压，改变两臂的相位差来改变干涉比，这样等效为强度调制，而且也改变了信号光的合成相位，使得从返回的信号光与本振光产生了稳定的相位差，从而达到了调制的目的；
步骤三：在信道中，这些量子态可能被Eve窃听，Eve的窃听行为将不可避免的叠加一部分噪声在量子态上，Bob收到的是一组叠加噪声的量子态；
步骤四：Bob利用接收到的本振光和平衡零差探测器用以随机测量量子态的正则分量，这样Bob得到一组数据，经过对基之后，而这组数据对应的是Alice加载在量子相干态的另外一组数据；
步骤五：Alice和Bob最终处理一对相关数据，之后通过数据后处理，Alice和Bob能够得到密钥串K；
第二部分，先保密加强后密钥协商的新型数据后处理部分，是指在数据后处理阶段先进行保密加强，在进行密钥协商，包括以下步骤：
步骤六：在量子通信阶段结束之后，Alice和Bob分别获得两串相关联的原始密钥X和Y；利用保密加强算法，压缩掉可能被窃听者Eve窃取的信息，Alice和Bob两端分别得到密钥串X’和Y’；
步骤七：将Alice端和Bob端的密钥X′和Y′变化为d维向量；
步骤八：Alice端和Bob端原始密钥X′和Y′归一化处理；
将Alice端和Bob端得到的原始密钥归一化处理，这样可以得到归一化后的d维向量，其中
步骤九：生成均匀分布的码字u和传输映射M；
在反向协商的情况下Bob端量子真随机数发生器在d维球面随机选取d维向量并计算映射M(y,u)满足M(y,u)y＝u，接着把这样的映射M(y,u)通过公共认证信道传输给Alice；
步骤十：Alice得到u的误差形式v；
由于Bob通过公共认证信道传输映射M(y,u)给Alice，Alice计算M(y,u)x＝v,v为u的误差形式
步骤十一：建立起以u为输入、v为输出的二进制信道；
步骤十二：译码纠错。
优选地，所述发送端采用两个相位调制器调制信息到量子相干态上，从而实现完美的量子高斯调制。
优选地，所述第二部分先用保密加强算法对数据进行压缩，再利用密钥协商算法对数据协商获得最终的密钥。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：双相位调制技术会减小由于幅度调制器(AM)造成的插入损耗和随机的偏振偏移，这样会减小CVQKD系统的过噪声，这样不仅实现了完美的高斯调制，而且提高了系统的密钥率。先保密加强后密钥协商的新型数据后处理方案有效地减少了数据后处理时间，提高了数据后处理速度，从而提高了CVQKD系统的密钥率。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为运用双相位调制方案的CVQKD系统流程图；
图2为所述CVQKD系统中的双相位调制方案图；
图3为本发明基于新型数据后处理的连续变量量子密钥分发的原理图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明可以降低CVQKD系统的过噪声，提高数据后处理的速度，这样从而提高了CVQKD系统的密钥率。
本发明基于双相位调制和新型数据后处理的连续变量量子密钥分发方法包括以下两个部分：
第一部分，如图1、图2所示，双相位调制部分，是指对量子相干态采用两个相位调制器进行信息的调制，从而实现完美的高斯调制，包括以下步骤：
步骤一：Bob(Bob是量子密钥分发的接收端)制备一个强光作为经典的本振光，并同时使用同一个激光器生成一个经典光，将这束经典光不经过调制就发送到量子信道，这束经典光称为光脉冲，一般信道为光纤信道；
步骤二：光脉冲从Bob传输过来经过50/50的光分束器(BS)分成两束；一束先通过第一个相位调制器(PM1)调制，再通过一个法拉第镜反射，另外一束光先通过第二个相位调制器(PM2)调制，再通过一个法拉第镜反射回来，两束光在BS处产生干涉。这里通过改变两个相位调制器的电压，改变两臂的相位差来改变干涉比，这样等效为强度调制，而且也改变了信号光的合成相位，使得从返回的信号光与本振光产生了稳定的相位差，从而达到了调制的目的。
步骤三：在信道中，这些量子态可能被Eve(Eve表示窃听者)窃听，Eve的窃听行为将不可避免的叠加一部分噪声在量子态上，Bob收到的是一组叠加噪声的量子态；
步骤四：Bob利用接收到的本振光和平衡零差探测器用以随机测量量子态的正则分量，这样Bob得到一组数据Y，经过对基之后，而这组数据对应的是Alice加载在量子相干态的另外一组数据X；
步骤五：Alice(Alice是发送端)和Bob最终处理一对相关数据X和Y，之后通过数据后处理，Alice和Bob能够得到密钥串K。
第二部分，先保密加强后密钥协商的新型数据后处理部分，如图3所示，是指在数据后处理阶段先进行保密加强，在进行密钥协商，包括以下步骤：
步骤六：在量子通信阶段结束之后，Alice和Bob分别获得两串相关联的原始密钥X和Y；利用保密加强算法，压缩掉可能被窃听者Eve窃取的信息，Alice和Bob两端分别得到密钥串X’和Y’。
步骤七：将Alice端和Bob端的密钥X′和Y′变化为d维向量；
步骤八：Alice端和Bob端原始密钥X′和Y′归一化处理；
将Alice端和Bob端得到的原始密钥归一化处理，这样可以得到归一化后的d维向量，其中
步骤九：生成均匀分布的码字u和传输映射M；
在反向协商的情况下Bob端量子真随机数发生器在d维球面随机选取d维向量并计算映射M(y,u)满足M(y,u)y＝u，接着把这样的映射M(y,u)通过公共认证信道传输给Alice。
步骤十：Alice得到u的误差形式v；
由于Bob通过公共认证信道传输映射M(y,u)给Alice，Alice计算M(y,u)x＝v,v为u的误差形式
步骤十一：建立起以u为输入、v为输出的二进制信道。
步骤十二：译码纠错，通过LDPC译码算法构造一个LDPC BP译码器,译码器输入初始码字的先验概率L(Ci),校验矩阵H以及校验信息Syndrome。确定译码迭代次数，不停地更新变量节点和校验节点的信息，更新的变量节点信息为式(1)：
更新的校验节点信息为式(2)：
直到更新判决信息为式(3)：
其中L(qi)表示计算得到的判决信息。对L(qi)进行0-1判决得到密钥串，之后将其与校验信息Syndrome比较判断是否译码成功，这样Alice和Bob就获得最终的密钥串U。
发送端采用两个相位调制器调制信息到量子相干态上，从而实现完美的量子高斯调制。光脉冲从Bob传输过来经过50/50的光分束器(BS)分成两束，一束先第一个通过相位调制器(PM1)调制得到角度φ1，再通过一个法拉第镜反射，另外一束光先通过第二个相位调制器(PM2)调制得到角度φ2，再通过一个法拉第镜反射回来，两束光在BS处产生干涉。这里通过改变两个相位调制器的电压，改变两臂的相位差来改变干涉比，这样等效为强度调制，而且也改变了信号光的合成相位，使得从返回的信号光与本振光产生了稳定的相位差，最终调制之后的输出可以表示为式(4)：
这里Ein为输入光，λ为相位调制器的衰减系数，这样就得到了调制之后的结果，实现了完美的高斯调制。双相位的调制方案一方面减少了由于AM带来的插入损耗，减小了随机的偏振偏移，从而减少了系统的过噪声，提高了连续变量量子密钥分发系统的密钥率；另外一方面可以获得相对较高的调制精度。在连续变量量子密钥分发系统的数据后处理阶段，第二部分先用保密加强算法对数据进行压缩，再利用密钥协商算法对数据协商获得最终的密钥，这样提高了连续变量量子密钥分发系统的数据后处理速度，从而提高了整个连续变量量子密钥分发系统的密钥率。
本发明利用新型双相位调制方案，可以减少CVQKD系统的过噪声，另外利用新型后处理方案可以提高数据后处理速度，结合这两点，可以提高整个CVQKD系统的密钥率。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (3)

1.一种基于双相位调制和数据后处理的连续变量密钥分发方法，其特征在于，包括以下两个部分：
第一部分，双相位调制部分，是指对量子相干态采用两个相位调制器进行信息的调制，从而实现完美的高斯调制，包括以下步骤：
步骤一：Bob制备一个强光作为经典的本振光，并同时使用同一个激光器生成一个经典光，将这束经典光不经过调制就发送到量子信道，一般信道为光纤信道；
步骤二：光脉冲从Bob传输过来经过50/50的光分束器分成两束；一束先通过第一个相位调制器调制，再通过一个法拉第镜反射，另外一束光先通过第二个相位调制器调制，再通过一个法拉第镜反射回来，两束光在BS处产生干涉；这里通过改变两个相位调制器的电压，改变两臂的相位差来改变干涉比，这样等效为强度调制，而且也改变了信号光的合成相位，使得从返回的信号光与本振光产生了稳定的相位差，从而达到了调制的目的；
步骤三：在信道中，这些量子态可能被Eve窃听，Eve的窃听行为将不可避免的叠加一部分噪声在量子态上，Bob收到的是一组叠加噪声的量子态；
步骤四：Bob利用接收到的本振光和平衡零差探测器用以随机测量量子态的正则分量，这样Bob得到一组数据，经过对基之后，而这组数据对应的是Alice加载在量子相干态的另外一组数据；
步骤五：Alice和Bob最终处理一对相关数据，之后通过数据后处理，Alice和Bob能够得到密钥串K；
第二部分，先保密加强后密钥协商的新型数据后处理部分，是指在数据后处理阶段先进行保密加强，在进行密钥协商，包括以下步骤：
步骤六：在量子通信阶段结束之后，Alice和Bob分别获得两串相关联的原始密钥X和Y；利用保密加强算法，压缩掉可能被窃听者Eve窃取的信息，Alice和Bob两端分别得到密钥串X’和Y’；
步骤七：将Alice端和Bob端的密钥X′和Y′变化为d维向量；
步骤八：Alice端和Bob端原始密钥X′和Y′归一化处理；
将Alice端和Bob端得到的原始密钥归一化处理，这样可以得到归一化后的d维向量，其中
步骤九：生成均匀分布的码字u和传输映射M；
在反向协商的情况下Bob端量子真随机数发生器在d维球面随机选取d维向量并计算映射M(y,u)满足M(y,u)y＝u，接着把这样的映射M(y,u)通过公共认证信道传输给Alice；
步骤十：Alice得到u的误差形式v；
由于Bob通过公共认证信道传输映射M(y,u)给Alice，Alice计算M(y,u)x＝v,v为u的误差形式
步骤十一：建立起以u为输入、v为输出的二进制信道；
步骤十二：译码纠错。
2.根据权利要求1所述的基于双相位调制和数据后处理的连续变量密钥分发方法，其特征在于，所述发送端采用两个相位调制器调制信息到量子相干态上，从而实现完美的量子高斯调制。
3.根据权利要求1所述的基于双相位调制和数据后处理的连续变量密钥分发方法，其特征在于，所述第二部分先用保密加强算法对数据进行压缩，再利用密钥协商算法对数据协商获得最终的密钥。
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