CN108306731A - 基于基编码的连续变量量子密钥分发方法及系统 - Google Patents

基于基编码的连续变量量子密钥分发方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于基编码的连续变量量子密钥分发方法及系统，发送端进行相干态制备，并根据高斯分布的连续变量真随机数对相干态进行编码；通过量子信道传输给接收端进行相干态检测；接收端随机选择一部分位置公开检测结果及测量基供发送端进行基比对和数据评估，在密钥率小于等于零时重新开始；接收端公布剩余位置的检测结果，发送端根据剩余位置的检测结果判断接收端采用的测量基，接收端与发送端将对应的基信息作为各自的密钥；通过经典信道，进行协商和保密增强操作。本发明可实现高过噪声条件下长距离安全通信，而且协商效率要求更低。除了解码步骤，其他步骤都与现有连续变量量子密钥分发协议一致，很容易实现两者的融合应用。

Description

基于基编码的连续变量量子密钥分发方法及系统
技术领域
本发明涉及量子通信技术领域，具体地，涉及基于基编码的连续变量量子密钥分发方法及系统。
背景技术
量子保密通信的安全性源于量子物理学的基本特性，由海森堡测不准定理和不可克隆原理所保障，这使得量子保密通信具有两个基本特征，即通信无条件安全性及对窃听的可检测性，而这两个特征在经典通信几乎无法实现。因此在信息保护和保密通信方面，量子保密通信具有先天的优势。
量子密钥分发技术整体上分为两大类：离散变量量子密钥分发(DVQKD)和连续变量量子密钥分发(CVQKD)，和离散变量量子密钥分发技术相比，连续变量量子密钥分发技术继承了经典相干光通信的诸多优势，具有更高的信道容量和与经典光通信的融合性。因此，该技术在近十几年中吸引了世界上许多研究机构对其理论和应用技术进行了深入研究。目前连续变量量子保密通信技术成为整个保密通信技术的一个重要分支，而连续变量量子密钥分发则是该技术的研究核心。至今各国研究者针对连续变量量子密钥分发提出了各种各样的协议，其中应用最广泛的是高斯调制相干态连续变量量子密钥分发协议，该协议在理论上已经被证明是无条件安全的。
然而相对于离散变量量子密钥分发协议，连续变量量子密钥分发协议的安全传输距离相对短很多。其主要原因有两个方面：一个是现有的CVQKD协议对过噪声过于敏感，过噪声包括信道引入的不可避免的过噪声及系统自身产生的额外过噪声。另一个原因是CVQKD需要更复杂且独特的纠错算法，这个进一步限制了CVQKD的安全传输距离。为了提升CVQKD的安全传输距离，有研究者提出了离散调制CVQKD方案，可直接产生离散化的原始密钥，从而可降低后处理难度，提升协商效率，从而延长安全传输距离。另外，还有很多方案，包括针对CVQKD的高效协商算法、本地本振等方案等都可以从一定程度上提升现有CVQKD协议的性能，但是其本质上都是基于连续值编码方案，这类方案对过噪声和协商效率的敏感性从根本上限制了其性能。事实上，在实际应用中，高的信道过噪声是很常见的，而且当考虑到后处理实际协商的误帧率问题时，协商效率将进一步影响CVQKD的安全密钥率。
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基编码的连续变量量子密钥分发方法及系统。
根据本发明提供的一种基于基编码的连续变量量子密钥分发方法，包括：
步骤1：发送端生成高斯分布的连续变量真随机数，作为原始编码信息；接收端生成二进制真随机数作为原始密钥信息；
步骤2：发送端进行相干态制备，并根据高斯分布的连续变量真随机数对相干态进行编码；
步骤3：将完成编码的相干态信号通过量子信道传输给接收端，接收端根据二进制真随机数利用量子平衡零差检测器随机测量相干态的X或P正则分量；
步骤4：接收端随机选择一部分位置公开检测结果及他所采用的测量基供发送端进行基比对，获得对应的相关联的连续数据，并利用连续数据进行参数评估，并根据评估结果计算基于基编码情况下合法方的互信息量及泄露给Eve的信息量，同时判断密钥率是否大于零，在密钥率小于等于零时返回步骤1；
步骤5：接收端公布剩余位置的检测结果，发送端根据剩余位置的检测结果判断接收端采用的测量基，即判断测量了X正则分量还是P正则分量，接收端与发送端将对应的基信息作为各自的密钥；
步骤6：通过经典信道，发送端和接收端两方对产生的数据进行协商，得到一致的比特串，根据参数评估得到参数计算压缩因子，对得到的比特串进行保密增强操作，最终得到一串共享的安全密钥。
较佳的，所述发送端和所述接收端将各自的密钥编码在离散的基的选择上。
较佳的，所述步骤1采用真随机数发生器产生所述高斯分布的连续变量真随机数；所述步骤2通过强度和相位调制器对相干态进行编码操作。
较佳的，所述步骤3的相干态检测包括根据二进制真随机数值选择不同测量基，测量相干态的X正则分量或者P正则分量。
较佳的，所述步骤4的数据评估包括：评估此次通信过程中的信道过噪声、透过率及调制方差，评估泄露的信息量和合法方的互信息量。
根据本发明提供的一种基于基编码的连续变量量子密钥分发系统，包括：
真随机数生成模块：在发送端生成高斯分布的连续变量真随机数，作为原始编码信息；在接收端生成二进制真随机数作为原始密钥信息；
相干态编码模块：在发送端进行相干态制备，并根据高斯分布的连续变量真随机数对相干态进行编码；
信号传递检测模块：将完成编码的相干态信号通过量子信道传输给接收端，接收端根据二进制真随机数利用量子平衡零差检测器随机测量相干态的X或P正则分量；
参数评估模块：接收端随机选择一部分位置公开检测结果及他所采用的测量基供发送端进行基比对，获得对应的相关联的连续数据，并利用连续数据进行参数评估，并根据评估结果计算基于基编码情况下合法方的互信息量及泄露给Eve的信息量，同时判断密钥率是否大于零；
信息解码模块：在接收端公布剩余位置的检测结果，发送端根据剩余位置的检测结果判断接收端采用的测量基，即判断测量了X正则分量还是P正则分量，接收端与发送端将对应的基信息作为各自的密钥；
保密增强模块：通过经典信道，在发送端和接收端两方对产生的数据进行协商，得到一致的比特串，根据参数评估得到参数计算压缩因子，对得到的比特串进行保密增强操作，最终得到一串共享的安全密钥。
较佳的，所述发送端和所述接收端将各自的密钥编码在离散的基的选择上。
较佳的，所述真随机数生成模块采用真随机数发生器产生所述高斯分布的连续变量真随机数；所述相干态编码模块通过强度和相位调制器对相干态进行编码操作。
较佳的，所述信号传递检测模块的相干态检测包括根据二进制真随机数值选择不同测量基，测量相干态的X正则分量或者P正则分量。
较佳的，所述参数评估模块的数据评估包括：评估此次通信过程中的信道过噪声、透过率及调制方差，评估泄露的信息量和合法方的互信息量。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明由于采用了基于离散基的编码方法，因此会直接产生离散化的二进制原始密钥，因此可以直接借助现有的基于离散变量技术的后处理算法方法进行协商和保密增强处理，降低了现有CVQKD系统的实现复杂度，从后处理的角度提升了系统性能。
另外，由于采用基编码的方法，该协议具有更好的信道过噪声容忍度(信道过噪声容忍度是指在特定传输距离下保证能获取安全密钥所能容忍的最大信道过噪声)和更低的必要协商效率(必要协商效率是指在特定传输距离下能获取安全密钥率所需要的最低后处理协商效率)，因此该协议在一些相同传输距离下相对于传统的高斯调制相干态CVQKD协议具有更高的密钥率和更长的安全传输距离。
而且基于基编码的连续变量量子密钥分发方法可允许的调制方差范围更宽，即可允许较大调制方差的量子密钥分发，大大降低了对检测器灵敏度的限制，即该方案可用于高重复频率编码，可为后期更高速量子密钥分发提供实际解决方案。
需要指出的是在短传输距离下(信噪比比较高的时候)性能会比现有高斯调制CVQKD稍差，这是因为自身的信道容量降低缘故。但本发明由于前面的基本步骤与现有高斯调制相干态CVQKD协议类似，只有信息解码不同，因此本发明可以和现有的高斯调制相干态CVQKD方案实现完美融合，最终实现取长补短，大大提升现有高斯调制相干态CVQKD协议性能。
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为本发明的原理图。
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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明提供的一种基于基编码的连续变量量子密钥分发方法，包括：
步骤1：发送端生成高斯分布的连续变量真随机数，作为原始编码信息；接收端生成二进制真随机数作为原始密钥信息；
步骤2：发送端进行相干态制备，并根据高斯分布的连续变量真随机数对相干态进行编码；
步骤3：将完成编码的相干态信号通过量子信道传输给接收端，接收端根据二进制真随机数利用量子平衡零差检测器随机测量相干态的X或P正则分量；
步骤4：接收端随机选择一部分位置公开检测结果及他所采用的测量基供发送端进行基比对，获得对应的相关联的连续数据，并利用连续数据进行参数评估，并根据评估结果计算基于基编码情况下合法方的互信息量及泄露给Eve的信息量，同时判断密钥率是否大于零，在密钥率小于等于零时返回步骤1；
步骤5：接收端公布剩余位置的检测结果，发送端根据剩余位置的检测结果判断接收端采用的测量基，即判断测量了X正则分量还是P正则分量，接收端与发送端将对应的基信息作为各自的密钥；
步骤6：通过经典信道，发送端和接收端两方对产生的数据进行协商，得到一致的比特串，根据参数评估得到参数计算压缩因子，对得到的比特串进行保密增强操作，最终得到一串共享的安全密钥。
在本发明中，发送端和接收端将密钥信息编码在离散的基的选择上，而不是分发的连续随机数上。步骤1采用真随机数发生器产生高斯分布的连续变量真随机数；步骤2通过强度和相位调制器对相干态进行编码操作。步骤3的相干态检测包括根据二进制真随机数值选择不同测量基，测量相干态的X正则分量或者P正则分量。步骤4的数据评估包括：评估此次通信过程中的信道过噪声、透过率及调制方差，评估泄露的信息量和合法方的互信息量。
在上述一种基于基编码的连续变量量子密钥分发方法的基础上，本发明还提供一种基于基编码的连续变量量子密钥分发系统，包括：
真随机数生成模块：在发送端生成高斯分布的连续变量真随机数，作为原始编码信息；在接收端生成二进制真随机数作为原始密钥信息；
相干态编码模块：在发送端进行相干态制备，并根据高斯分布的连续变量真随机数对相干态进行编码；
信号传递检测模块：将完成编码的相干态信号通过量子信道传输给接收端，接收端根据二进制真随机数利用量子平衡零差检测器随机测量相干态的X或P正则分量；
参数评估模块：接收端随机选择一部分位置公开检测结果及他所采用的测量基供发送端进行基比对，获得对应的相关联的连续数据，并利用连续数据进行参数评估，并根据评估结果计算基于基编码情况下合法方的互信息量及泄露给Eve的信息量，同时判断密钥率是否大于零；
信息解码模块：在接收端公布剩余位置的检测结果，发送端根据剩余位置的检测结果判断接收端采用的测量基，即判断测量了X正则分量还是P正则分量，接收端与发送端将对应的基信息作为各自的密钥；
保密增强模块：通过经典信道，在发送端和接收端两方对产生的数据进行协商，得到一致的比特串，根据参数评估得到参数计算压缩因子，对得到的比特串进行保密增强操作，最终得到一串共享的安全密钥。
真随机数生成模块采用真随机数发生器产生高斯分布的连续变量真随机数；相干态编码模块通过强度和相位调制器对相干态进行编码操作。信号传递检测模块的相干态检测包括根据二进制真随机数值选择不同测量基，测量相干态的X正则分量或者P正则分量。参数评估模块的数据评估包括：评估此次通信过程中的信道过噪声、透过率及调制方差，评估泄露的信息量和合法方的互信息量。
在本发明中，发送端和接收端将各自的密钥编码在离散的基的选择上，而不是分发的连续随机数上。
本发明不同于之前的高斯调制相干态CVQKD协议，发送端和接收端将密钥信息编码在离散的基的选择上，而不是分发的连续随机数上。因此会直接产生离散化的二进制原始密钥，因此可以直接借助现有的基于离散变量技术的后处理算法方法进行协商和保密增强处理，降低了现有CVQKD系统的实现复杂度，从后处理的角度提升了系统性能。
本发明采用基编码的方法，该协议具有更好的信道过噪声容忍度和更低的必要协商效率，因此该协议在一些相同传输距离下相对于传统的高斯调制相干态CVQKD协议具有更高的密钥率和更长的安全传输距离。
本发明基于基编码的连续变量量子密钥分发方法可允许的调制方差范围更宽，即可允许较大调制方差的量子密钥分发，大大降低了对检测器灵敏度的限制，即该方案可用于高重复频率编码，可为后期更高速量子密钥分发提供实际解决方案。
本发明虽然在短传输距离下性能会比现有高斯调制CVQKD稍差，这是因为自身的信道容量降低缘故。但该方案由于基本步骤与现有高斯调制相干态CVQKD协议类似，只有信息解码不同，因此该方案可以和现有的高斯调制相干态CVQKD方案实现完美融合，最终实现取长补短，大大提升现有高斯调制相干态CVQKD协议性能。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
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化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种基于基编码的连续变量量子密钥分发方法，其特征在于，包括：
步骤1：发送端生成高斯分布的连续变量真随机数，作为原始编码信息；接收端生成二进制真随机数作为原始密钥信息；
步骤2：发送端进行相干态制备，并根据高斯分布的连续变量真随机数对相干态进行编码；
步骤3：将完成编码的相干态信号通过量子信道传输给接收端，接收端根据二进制真随机数利用量子平衡零差检测器随机测量相干态的X或P正则分量；
步骤4：接收端随机选择一部分位置公开检测结果及他所采用的测量基供发送端进行基比对，获得对应的相关联的连续数据，并利用连续数据进行参数评估，并根据评估结果计算基于基编码情况下合法方的互信息量及泄露给Eve的信息量，同时判断密钥率是否大于零，在密钥率小于等于零时返回步骤1；
步骤5：接收端公布剩余位置的检测结果，发送端根据剩余位置的检测结果判断接收端采用的测量基，即判断测量了X正则分量还是P正则分量，接收端与发送端将对应的基信息作为各自的密钥；
步骤6：通过经典信道，发送端和接收端两方对产生的数据进行协商，得到一致的比特串，根据参数评估得到参数计算压缩因子，对得到的比特串进行保密增强操作，最终得到一串共享的安全密钥。
2.根据权利要求1所述的基于基编码的连续变量量子密钥分发方法，其特征在于，所述发送端和所述接收端将各自的密钥编码在离散的基的选择上。
3.根据权利要求1所述的基于基编码的连续变量量子密钥分发方法，其特征在于，所述步骤1采用真随机数发生器产生所述高斯分布的连续变量真随机数；所述步骤2通过强度和相位调制器对相干态进行编码操作。
4.根据权利要求1所述的基于基编码的连续变量量子密钥分发方法，其特征在于，所述步骤3的相干态检测包括根据二进制真随机数值选择不同测量基，测量相干态的X正则分量或者P正则分量。
5.根据权利要求1所述的基于基编码的连续变量量子密钥分发方法，其特征在于，所述步骤4的数据评估包括：评估此次通信过程中的信道过噪声、透过率及调制方差，评估泄露的信息量和合法方的互信息量。
6.一种基于基编码的连续变量量子密钥分发系统，其特征在于，包括：
真随机数生成模块：在发送端生成高斯分布的连续变量真随机数，作为原始编码信息；在接收端生成二进制真随机数作为原始密钥信息；
相干态编码模块：在发送端进行相干态制备，并根据高斯分布的连续变量真随机数对相干态进行编码；
信号传递检测模块：将完成编码的相干态信号通过量子信道传输给接收端，接收端根据二进制真随机数利用量子平衡零差检测器随机测量相干态的X或P正则分量；
参数评估模块：接收端随机选择一部分位置公开检测结果及他所采用的测量基供发送端进行基比对，获得对应的相关联的连续数据，并利用连续数据进行参数评估，并根据评估结果计算基于基编码情况下合法方的互信息量及泄露给Eve的信息量，同时判断密钥率是否大于零；
信息解码模块：在接收端公布剩余位置的检测结果，发送端根据剩余位置的检测结果判断接收端采用的测量基，即判断测量了X正则分量还是P正则分量，接收端与发送端将对应的基信息作为各自的密钥；
保密增强模块：通过经典信道，在发送端和接收端两方对产生的数据进行协商，得到一致的比特串，根据参数评估得到参数计算压缩因子，对得到的比特串进行保密增强操作，最终得到一串共享的安全密钥。
7.根据权利要求6所述的基于基编码的连续变量量子密钥分发系统，其特征在于，所述发送端和所述接收端将各自的密钥编码在离散的基的选择上。
8.根据权利要求6所述的基于基编码的连续变量量子密钥分发系统，其特征在于，所述真随机数生成模块采用真随机数发生器产生所述高斯分布的连续变量真随机数；所述相干态编码模块通过强度和相位调制器对相干态进行编码操作。
9.根据权利要求6所述的基于基编码的连续变量量子密钥分发系统，其特征在于，所述信号传递检测模块的相干态检测包括根据二进制真随机数值选择不同测量基，测量相干态的X正则分量或者P正则分量。
10.根据权利要求6所述的基于基编码的连续变量量子密钥分发系统，其特征在于，所述参数评估模块的数据评估包括：评估此次通信过程中的信道过噪声、透过率及调制方差，评估泄露的信息量和合法方的互信息量。
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