CN109728900B

CN109728900B - 离散变量量子密钥分发中ldpc纠错码率自适应方法及系统

Info

Publication number: CN109728900B
Application number: CN201711033413.XA
Authority: CN
Inventors: 安仲庆; 修亮; 余刚; 刘建宏
Original assignee: Quantumctek Co Ltd
Current assignee: Quantumctek Co Ltd
Priority date: 2017-10-30
Filing date: 2017-10-30
Publication date: 2021-07-30
Anticipated expiration: 2037-10-30
Also published as: CN109728900A

Abstract

本发明公开了一种离散变量量子密钥分发中LDPC纠错码率自适应方法，包括下述步骤：Alice与Bob两端Shortening数据池的建立：在DVQKD进行密钥分发前，在Alice与Bob两端预先保存一定数量的密钥作为Shortening数据池；计算初次预期f因子；根据预期f因子选择预期码率R；根据预期码率R计算Shortening数据的个数；Alice选取Shortening数据池中的数据，编码并传输数据；Bob选取Shortening数据池中的数据，纠错并确认。本发明还提供了一种离散变量量子密钥分发中LDPC纠错码率自适应系统。本发明的优点在于：在Alice与Bob两端分别建立Shortening数据池，避免了Shortening的数据在公共经典网络上传输，既能够减少泄漏的信息量，又能够减少网络传输的数据量。

Description

离散变量量子密钥分发中LDPC纠错码率自适应方法及系统

技术领域

本发明涉及数据处理技术，更具体涉及一种离散变量量子密钥分发后处理数据纠错的方法及系统。

背景技术

现有的DVQKD(离散变量量子密钥分发)中自适应码率的LDPC(低密度奇偶校验码，Low Density Parity Check Code)纠错方案是基于Puncturing(穿刺)和Shortening(缩短)码率自适应方案的。Puncturing是通过减少校验节点的方法来提高码率，可以等效为使用误码率是50％的纠错数据；Shortening是通过减少变量节点的方法来降低码率，可以等效为使用误码率是0％的纠错数据。基于等效的方法，现有的方案一方面是让Alice与Bob两端同时产生相同数量的完全无关的真随机数来填充纠错数据列，从而达到Puncturing的效果，也就是提高码率的效果；另一方面，让Alice产生部分随机数序列，通过公共的经典信道传输给Bob，从而达到Shortening的效果，也就是降低码率的效果。这样新的码率R就有如下的表达形式：

R₀是固定矩阵的码率，σ是s/n(Shortening节点数s占总节点数n的比例)，π是p/n(Puncturing节点数p占总节点数n的比例)。d＝s+p是总的用于可变码率的节点数，一般为了平衡纠错的性能，d的比例可以选择为总节点数n的10％，δ＝d/n。这样码率变化的范围就是：

现有纠错方案的步骤如下：

a)根据预期f因子选择预期码率：在DVQKD进行密钥分发时，同时在Alice与Bob两端积累了误码率为ε的原始密钥(sifted key)。为了纠正sifted key之间的误码同时泄漏最少的信息量，这就需要根据预期的f因子来改变码率固定的LDPC纠错矩阵。预期码率的计算公式：

R＝1-f(∈)H₂(∈)

f(ε)是预估的f因子，初次计算可以选取1.05，H₂(ε)是二元香农熵。

b)根据预期码率计算Shortening数据的个数：Shortening数据的个数多少取决于步骤a)中计算的预期码率的大小，公式如下：

floor是对计算的值向上取整。

c)Alice编码与传输信息：Alice计算得到Shortening数据个数，相应的Puncturing数据的个数也确定了下来。根据原理中的描述，将Shortening与Puncturing的数据加入到Alice端的sifted key序列中进行编码，之后将编码后得到的校验信息与Shortening数据通过公共的经典信道传给Bob。

d)Bob纠错与确认：Bob接收到Alice发送的校验信息与Shortening数据后，将Shortening数据与自身产生的Puncturing数据加入到sifted key中，使用LDPC纠错矩阵进行纠错，如果纠错成功，通知Alice，两端进行隐私放大工作；如果纠错失败，通知Alice，Alice将预期f因子的值增加，重复步骤a)。

现有的上述方案存在下述缺陷：

1)上述介绍的方案为了达到Shortening的目的，需要在公共的经典信道中传递Alice端产生的真随机数序列，这一部分的数据交互会额外泄漏信息量以及增加网络的流量。

2)上述介绍的方案可能因为初始预期f因子的选择不合理而导致交互的次数过多或者最后的f因子没有达到最佳值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供了一种能够减少泄漏的信息量，又能够减少网络传输的数据量的离散变量量子密钥分发中LDPC纠错码率自适应方法及系统。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种离散变量量子密钥分发中LDPC纠错码率自适应方法，包括下述步骤：

1)Alice与Bob两端Shortening数据池的建立：在DVQKD进行密钥分发前，在Alice与Bob两端预先保存一定数量的密钥作为Shortening数据池；

2)计算初次预期f因子；

3)根据预期f因子选择预期码率R；

4)根据预期码率R计算Shortening数据的个数；

5)Alice选取Shortening数据池中的数据，编码并传输数据；

6)Bob选取Shortening数据池中的数据，纠错并确认。

作为优化的技术方案，在所述步骤6)后还包括：

7)Shortening数据池中数据的更新，在DVQKD进行完一次纠错与隐私放大并且产生密钥之后，Alice与Bob同时复制一段密钥更新Shortening数据池中的密钥。

作为优化的技术方案，步骤2)中，初次预期f因子选择固定码率R₀的LDPC纠错矩阵所能达到的最佳f因子，计算公式如下：

这里的误码率∈是固定码率R₀的LDPC纠错矩阵所能纠正的最大误码率，H₂(ε)是二元香农熵，即H₂(ε)＝(1-ε)*log₂[1/(1-ε)]+ε*log₂(1/ε)。

作为优化的技术方案，步骤3)中，预期码率的计算公式：

R＝1-f H₂(ε)

作为优化的技术方案，步骤4)中，Shortening数据的个数多少取决于步骤3)中计算的预期码率R的大小，公式如下：

floor是对计算的值向上取整，R₀是固定码率，d＝s+p是总的用于可变码率的节点数，s是Shortening节点数，p是Puncturing节点数，n是变量的总节点数。

作为优化的技术方案，步骤5)中，Alice从Shortening数据池中选取开始的s个数据并且把选取的数据个数s通过公共的经典信道发送给Bob，Alice将s个Shortening数据与p个Puncturing数据加入到sifted key中组成n个待纠错数据，Alice使用码率为R₀的固定矩阵进行编码，之后通过经典的公共网络发送编码后得到的校验信息。

作为优化的技术方案，步骤6)中，Bob端接收到Alice端发送来的Shortening的数据个数s之后同样在Shortening数据池中选取开始的s个数据加入到sifted key中，同样生成p个Puncturing数据加入到sifted key中组成n个待纠错数据，之后通过接收到的校验信息对待纠错数据进行纠错，如果纠错成功，通知Alice，两端进行隐私放大工作；如果纠错失败，通知Alice，Alice将预期f因子的值增加，重复步骤3)-步骤6)。

本发明还提供了一种离散变量量子密钥分发中LDPC纠错码率自适应系统，该系统包括下述单元：

Shortening数据池建立单元，用于在DVQKD进行密钥分发前，在Alice与Bob两端预先保存一定数量的密钥作为Shortening数据池；

初次预期f因子计算单元，用于计算初次预期f因子；

预期码率R选择单元，用于根据预期f因子选择预期码率R；

Shortening数据个数计算单元，用于根据预期码率R计算Shortening数据的个数；

数据传输单元，用于Alice选取Shortening数据池中的数据，编码并传输数据；

纠错单元，用于Bob选取Shortening数据池中的数据，纠错并确认。

作为优化的技术方案，该离散变量量子密钥分发中LDPC纠错码率自适应系统还包括下述单元：

数据更新单元，用于在DVQKD进行完一次纠错与隐私放大并且产生密钥之后，Alice与Bob同时复制一段密钥更新Shortening数据池中的密钥。

作为进一步优化的技术方案，初次预期f因子计算单元中，初次预期f因子选择固定码率R₀的LDPC纠错矩阵所能达到的最佳f因子，计算公式如下：

作为进一步优化的技术方案，预期码率R选择单元中，计算预期码率R的公式为：

R＝1-f H₂(ε)。

作为进一步优化的技术方案，Shortening数据个数计算单元中，Shortening数据的个数多少取决于预期码率R的大小，公式如下：

作为进一步优化的技术方案，上述任一方案所述的离散变量量子密钥分发中LDPC纠错码率自适应系统的数据传输单元中，Alice从Shortening数据池中选取开始的s个数据并且把选取的数据个数s通过公共的经典信道发送给Bob，Alice将s个Shortening数据与p个Puncturing数据加入到sifted key中组成n个待纠错数据，Alice使用码率为R₀的固定矩阵进行编码，之后通过经典的公共网络发送编码后得到的校验信息。

作为进一步优化的技术方案，纠错单元中，Bob端接收到Alice端发送来的Shortening的数据个数s之后同样在Shortening数据池中选取开始的s个数据加入到sifted key中，同样生成p个Puncturing数据加入到sifted key中组成n个待纠错数据，之后通过接收到的校验信息对待纠错数据进行纠错，如果纠错成功，通知Alice，两端进行隐私放大工作；如果纠错失败，通知Alice，Alice将预期f因子的值增加，重复执行预期码率R选择单元、Shortening数据个数计算单元、数据传输单元、纠错单元。

本发明相比现有技术具有以下优点：

1)在Alice与Bob两端分别建立Shortening数据池，避免了Shortening的数据在公共经典网络上传输，既能够减少泄漏的信息量，又能够减少网络传输的数据量。

2)对初始预期f因子的选择进行优化，既考虑了LDPC纠错的效果，又能够使得交互的次数不至于过多。

附图说明

图1是本发明实施例一离散变量量子密钥分发中LDPC纠错码率自适应方法的流程图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例一

请参照图1所示，本发明实施例的离散变量量子密钥分发中LDPC纠错码率自适应方法包括下述步骤：

1)Alice与Bob两端Shortening数据池的建立：

在DVQKD进行密钥分发前，在Alice与Bob两端预先保存一定数量(大于一次LDPC纠错数据量的10％)的密钥作为Shortening数据池。

2)计算初次预期f因子：

初次预期f因子选择固定码率R₀的LDPC纠错矩阵所能达到的最佳f因子，计算公式如下：

3)根据预期f因子选择预期码率：

为了纠正sifted key之间的误码同时泄漏最少的信息量，这就需要根据预期的f因子来改变码率固定的LDPC纠错矩阵。预期码率的计算公式：

R＝1-f H₂(ε)

4)根据预期码率计算Shortening数据的个数：

Shortening数据的个数多少取决于步骤3)中计算的预期码率的大小，公式如下：

5)Alice选取Shortening数据池中的数据，编码并传输数据：

Alice从Shortening数据池中选取开始的s个数据并且把选取的数据个数s通过公共的经典信道发送给Bob。Alice将s个Shortening数据与p个Puncturing数据加入到siftedkey中组成n个待纠错数据。Alice使用码率为R₀的固定矩阵进行编码，之后通过经典的公共网络发送编码后得到的校验信息。

6)Bob选取Shortening数据池中的数据，纠错并确认：

Bob端接收到Alice端发送来的Shortening的数据个数s之后同样在Shortening数据池中选取开始的s个数据加入到sifted key中，同样生成p个Puncturing数据加入到sifted key中组成n个待纠错数据，之后通过接收到的校验信息对待纠错数据进行纠错。如果纠错成功，通知Alice，两端进行隐私放大工作；如果纠错失败，通知Alice，Alice将预期f因子的值增加，例如以固定步进增加，重复步骤3)-步骤6)。

7)Shortening数据池中数据的更新：

在DVQKD进行完一次纠错与隐私放大并且产生密钥之后，Alice与Bob同时复制一段密钥更新Shortening数据池中的密钥。

实施例二

该实施例提供了一种离散变量量子密钥分发中LDPC纠错码率自适应系统，该系统包括下述单元：

初次预期f因子计算单元，用于计算初次预期f因子；

预期码率R选择单元，用于根据预期f因子选择预期码率R；

R＝1-f H₂(ε)。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种离散变量量子密钥分发中LDPC纠错码率自适应方法，其特征在于，包括下述步骤：

1)Alice与Bob两端Shortening数据池的建立：在DVQKD进行密钥分发前，在Alice与Bob两端预先保存一定数量的相同密钥作为Shortening数据池；

2)计算初次预期f因子，初次预期f因子选择固定码率R₀的LDPC纠错矩阵所能达到的最佳f因子，计算公式如下：

这里的误码率ε 是固定码率R₀的LDPC纠错矩阵所能纠正的最大误码率，H₂(ε)是二元香农熵，即H₂(ε)＝(1-ε)*log₂[1/(1-ε)]+ε*log₂(1/ε)；

3)根据预期f因子选择预期码率R，预期码率R的计算公式：

R＝1-f H₂(ε)；

4)根据预期码率R计算Shortening数据的个数，Shortening数据的个数多少取决于步骤3)中计算的预期码率R的大小，公式如下：

floor是对计算的值向上取整，R₀是固定码率，d＝s+p是总的用于可变码率的节点数，s是Shortening节点数，p是Puncturing节点数，n是变量的总节点数；

5)Alice选取Shortening数据池中的数据，编码并传输数据，Alice从Shortening数据池中选取开始的s个数据并且把选取的数据个数s通过公共的经典信道发送给Bob，Alice将s个Shortening数据与p个Puncturing数据加入到sifted key中组成n个待纠错数据，Alice使用码率为R₀的固定矩阵进行编码，之后通过经典的公共网络发送编码后得到的校验信息；

6)Bob选取Shortening数据池中的数据，纠错并确认。

2.根据权利要求1所述的离散变量量子密钥分发中LDPC纠错码率自适应方法，其特征在于，在所述步骤6)后还包括：

3.根据权利要求1所述的离散变量量子密钥分发中LDPC纠错码率自适应方法，其特征在于：步骤6)中，Bob端接收到Alice端发送来的Shortening的数据个数s之后同样在Shortening数据池中选取开始的s个数据加入到sifted key中，同样生成p个Puncturing数据加入到sifted key中组成n个待纠错数据，之后通过接收到的校验信息对待纠错数据进行纠错，如果纠错成功，通知Alice，两端进行隐私放大工作；如果纠错失败，通知Alice，Alice将预期f因子的值增加，重复步骤3)-步骤6)。

4.一种离散变量量子密钥分发中LDPC纠错码率自适应系统，其特征在于，包括下述单元：

Shortening数据池建立单元，用于在DVQKD进行密钥分发前，在Alice与Bob两端预先保存一定数量的相同密钥作为Shortening数据池；

初次预期f因子计算单元，用于计算初次预期f因子，初次预期f因子选择固定码率R₀的LDPC纠错矩阵所能达到的最佳f因子，计算公式如下：

预期码率R选择单元，用于根据预期f因子选择预期码率R，预期码率R的计算公式：

R＝1-f H₂(ε)；

Shortening数据个数计算单元，用于根据预期码率R计算Shortening数据的个数，Shortening数据的个数多少取决于步骤3)中计算的预期码率R的大小，公式如下：

数据传输单元，用于Alice选取Shortening数据池中的数据，编码并传输数据，Alice从Shortening数据池中选取开始的s个数据并且把选取的数据个数s通过公共的经典信道发送给Bob，Alice将s个Shortening数据与p个Puncturing数据加入到sifted key中组成n个待纠错数据，Alice使用码率为R₀的固定矩阵进行编码，之后通过经典的公共网络发送编码后得到的校验信息；

5.根据权利要求4所述的离散变量量子密钥分发中LDPC纠错码率自适应系统，其特征在于，还包括下述单元：

6.根据权利要求4所述的离散变量量子密钥分发中LDPC纠错码率自适应系统，其特征在于，纠错单元中，Bob端接收到Alice端发送来的Shortening的数据个数s之后同样在Shortening数据池中选取开始的s个数据加入到sifted key中，同样生成p个Puncturing数据加入到sifted key中组成n个待纠错数据，之后通过接收到的校验信息对待纠错数据进行纠错，如果纠错成功，通知Alice，两端进行隐私放大工作；如果纠错失败，通知Alice，Alice将预期f因子的值增加，重复执行预期码率R选择单元、Shortening数据个数计算单元、数据传输单元、纠错单元。