CN109586850B - 一种用于连续变量量子密钥分发系统中的基于极化码的分层数据协调方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于连续变量量子密钥分发系统中的基于极化码的分层数据协调方法。该方法的具体实现步骤如下，步骤1：合法通信双方持有具有互相关性的连续变量，将发送方(反向协调下为接收方)的数据进行分层量化，得到多级二进制数据；步骤2：将步骤1得到的多级二进制数据中所含信息量较少的几级公开，对未公开的数据进行极化码逆编码，并公开休眠比特位置及对应数据；步骤3：接收方(反向协调下为发送方)利用公开的二进制数据以及休眠比特信息对所持有的连续变量进行极化码的多级间译码。本方法的编解码复杂度低，纠错性能好，应用本方法能够获得较高的协调效率，从而提高连续变量量子密钥分发系统的安全码率。

Description

一种用于连续变量量子密钥分发系统中的基于极化码的分层 数据协调方法

技术领域

本发明涉及连续变量量子密钥分发后处理关键技术领域，主要是应用于连续变量量子密钥分发系统后处理中的基于极化码的分层数据协调方法。该方法尤其适用于较高信噪比条件下的数据协调，可以得到较高的协调效率，从而提高系统的安全码率。

背景技术

信息安全是保障人身财产安全的重要手段。随着高性能计算机的发展，尤其是在不久的将来可能实现的量子霸权，传统基于数学计算复杂度的经典密码受到了巨大的挑战。量子密码是基于物理原理的，具有无条件安全性。连续变量量子密钥分发(Continuous-Variable Quantum Key Distribution，CV-QKD)是目前较为实用的一种量子信息技术。其可以直接用经典光通信器件，探测易于实现，且可以与经典信道融合，具有非常大的实用优势。

后处理是CV-QKD系统中必不可少的一部分。由于量子信道中存在损耗，噪声等干扰，合法通信双方的初始密钥是不一致的。后处理过程可以使得合法通信双方提取出安全密钥。数据协调是后处理中的关键技术之一，其主要作用是纠正双方数据中的误码，保证密钥的一致性。数据协调的关键指标是协调效率，协调效率的大小影响着安全码率的大小。因此，我们需要高效的数据协调方案以实现高安全码率的量子密钥分发。

极化码是Erdal Arikan教授于2008年提出的一种编译码方法，它是目前已知的唯一一种被严格证明的信道容量能够达到香农极限的编译码方法。它具有确定的构造方法，编码方式简单。它的接续消除译码方法不需要迭代，译码速度快。故极化码是一种理想的纠错码。分层数据协调是Gilles Van Assche等人于2004年提出的一种适用于CV-QKD系统的数据协调方法，其在高信噪比条件下依然能够获得较高的协调效率。本发明将二者的优势结合，设计了一种用于连续变量量子密钥分发系统中的基于极化码的分层数据协调方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于连续变量量子密钥分发系统中的基于极化码的分层数据协调方法。该方法通过对连续变量进行分层量化，实现了数据从连续变量到二进制变量的转换；通过极化码的逆编码与多级间译码过程，实现了数据的纠错，从而完成高效的数据协调，以支持高安全码率的CV-QKD系统。

本发明通过以下步骤实现上述方法：

步骤1：合法通信双方持有具有互相关性的连续变量数据，将发送方的数据进行分层量化，得到多级二进制数据，将其看作极化码编码之后的码字；

步骤2：发送方(反向协调下为接收方)将步骤1得到的多级二进制数据中所含信息量较少的几级公开，对未公开的数据进行极化码逆编码，并公开休眠比特位置及对应数据；

步骤3：接收方利用公开的二进制数据以及休眠比特信息对所持有的连续变量数据进行极化码的多级间译码。

步骤1的具体步骤如下：

步骤1A：合法通信双方根据信道特征通过计算确定量化层数、公开层数、量化区间的长度以及各级码率；

步骤1B：发送方根据量化层数和量化区间长度对连续变量数据进行分层量化，实现了数据从连续变量到二进制变量的转换，转换后的二进制变量作为极化码编码后的码字。

步骤2的具体步骤如下：

步骤2A：发送方根据信道特征以及各级码率选取各级的休眠比特；

步骤2B：发送方将所含信息量较少的几级二进制数据、休眠比特的位置及对应数据发送给接收方，以辅助译码；

步骤2C：发送方对未公开的二进制数据进行极化码逆编码，恢复出极化码编码前的消息。

步骤3的具体步骤如下：

步骤3A：接收方利用公开的二进制数据以及上一级的译码结果进行译码初始化；

步骤3B：接收方利用休眠比特位置及对应数据进行极化码译码，恢复出发送方极化码编码前的消息；

步骤3C：每一级将译码结果作为边信息传入下一级译码过程中用以进行译码初始化。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

分层协商实现方法简单，在高信噪比条件下依然能够达到较高的协调效率，极化码编解码复杂度低，纠错性能好，且是唯一经过理论证明的可达信道容量的编译码方法，将二者结合得到的高效数据协调方法能够提高连续变量量子密钥分发系统的安全码率。

附图说明

图1为本发明所用方法的流程图

具体实施方式

下面以正向协调情况为例，结合说明书附图图1具体说明本发明的实施方式。本发明是一种用于连续变量量子密钥分发系统中的基于极化码的分层数据协调方法，具体实施方式如下：

在CV-QKD系统中，合法通信双方，发送方Alice和接收方Bob在经过量子态制备，量子态传输和量子态探测以后，持有一组具有相关性的连续变量。由于量子信道存在噪声干扰，双方所持有的连续变量是不一致的，需要通过数据协调过程使双方获得一致的密钥。

对于高斯调制相干态系统，假设Alice的原始数据为X，调制方差为∑2，X服从均值为0，方差为∑2的高斯分布；Bob的原始数据为Y，信道的噪声方差为σ2，Y服从均值为0，方差为∑2+σ2的高斯分布。若双方的原始数据长度为l，则Alice的原始数据X经过m层量化后得到m×l个二进制数据，将m层二进制数据表示为S1(X),S2(X),...,Sm(X)。首先，由于量化后的前r层数据所含的信息量少且难以纠错，故Alice公开前r层数据S1(X),...,Sr(X)作为边信息辅助Bob纠错。然后，Alice根据信噪比等信道特征计算后m-r层数据Sr+1(X)，...,Sm(X)每一层的休眠比特位置，并将休眠比特位置以及休眠比特位上的数据发送给Bob。最后，Alice将后m-r层数据Sr+1(X),...,Sm(X)分别进行极化码逆编码，得到(m-r)×l个二进制数据Kr+1，...，Km作为协调后密钥。

Bob在接收到公开的前r层数据S1(X)，...，Sr(X)以及休眠比特位的信息后开始进行极化码的多级间译码纠错。首先，Bob利用数据Y和Alice公开的前r层数据S1(X)，...，Sr(X)进行译码初始化，得到对数似然比。然后，Bob利用Alice公开的休眠比特位信息对第r+1层数据进行译码纠错，得到Kr+1′。Bob端第r+1层数据恢复出的密钥Kr+1′即对应于Alice端的密钥Kr+1，若二者相同，则纠错成功。第r+1层译码结束后将译码结果Kr+1′作为已知信息传入下一层译码过程中，用于译码初始化。重复以上过程直至后m-r层数据全部纠错完毕，得到协调后密钥Kr+1′,...,Km′。

通过上述实例，详细说明了一种用于连续变量量子密钥分发系统中的基于极化码的分层数据协调方法的具体实施方式。本方法编解码复杂度低，纠错性能好，可以提高连续变量量子密钥分发系统的协调效率，对提高系统的安全码率有着重要的意义。

本发明并不局限于上述实例，凡是在权利要求范围内做出的任何形式的变形或者修改，均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种用于连续变量量子密钥分发系统中的基于极化码的分层数据协调方法，包括如下步骤：

步骤1：合法通信双方持有具有互相关性的连续变量数据，将发送方或反向协调下的接收方的数据进行分层量化，得到多级二进制数据，将其看作极化码编码后的码字；

步骤2：发送方或反向协调下的接收方将步骤1得到的多级二进制数据中所含信息量较少的几级公开，对未公开的数据进行极化码逆编码，并公开休眠比特位置及对应数据；

步骤3：接收方或反向协调下的发送方利用公开的二进制数据以及休眠比特信息对所持有的连续变量数据进行极化码的多级间译码。

2.根据权利要求1所述的一种用于连续变量量子密钥分发系统中的基于极化码的分层数据协调方法，步骤1的具体步骤如下：

步骤1A：合法通信双方根据信道特征通过计算确定量化层数、公开层数、量化区间的长度以及各级码率；

步骤1B：发送方根据量化层数和量化区间长度对连续变量数据进行分层量化，实现了数据从连续变量到二进制变量的转换，转换后的二进制变量作为极化码编码后的码字。

3.根据权利要求1所述的一种用于连续变量量子密钥分发系统中的基于极化码的分层数据协调方法，步骤2的具体步骤如下：

步骤2A：发送方根据信道特征以及各级码率选取各级的休眠比特；

步骤2B：发送方将所含信息量较少的几级二进制数据、休眠比特的位置及对应数据发送给接收方，以辅助译码；

步骤2C：发送方对未公开的二进制数据进行极化码逆编码，恢复出极化码编码前的消息。

4.根据权利要求1所述的一种用于连续变量量子密钥分发系统中的基于极化码的分层数据协调方法，步骤3的具体步骤如下：

步骤3A：接收方利用公开的二进制数据以及上一级的译码结果进行译码初始化；

步骤3B：接收方利用休眠比特位置及对应数据进行极化码译码，恢复出发送方极化码编码前的消息；

步骤3C：每一级将译码结果作为边信息传入下一级译码过程中用以进行译码初始化。

Images