CN110166241A - 一种适用于连续变量量子密钥分发的宽信噪比变化的数据纠错方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于连续变量量子密钥分发的宽信噪比变化的数据纠错方法。该方法的具体实现步骤如下，步骤1：利用连续变量量子密钥分发后处理的参数估计步骤估计出量子信道的实际信噪比r_real；步骤2：在r_real值附近选取一个固定的信噪比区间，并在该区间内等间隔选取若干信噪比点，利用经典最优化方法计算喷泉码在这些信噪比点的度数分布；步骤3：根据这些点度数分布计算适用于该信噪比区间的度数分布；步骤4：根据实际信噪比选取区间内度数分布，利用其进行编码和译码。根据本方法可在较大范围内的各个信噪比点实现高效纠错，适用于不同距离的连续变量量子密钥分发系统。

Description

一种适用于连续变量量子密钥分发的宽信噪比变化的数据纠 错方法

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后处理中的一种宽信噪比变化的数据纠错方法。根据本方法可在较大范围内的各个信噪比点实现高效纠错，提高数据协调的协调效率，从而提高系统安全码率，适用于不同距离的连续变量量子密钥分发系统。

背景技术

信息技术发展迅速让人们更加重视信息安全。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加密算法受到了严峻的威胁。基于量子力学原理的量子加密，具有无条件安全性。其中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，不需要昂贵的单光子探测器设备，且可以与经典信道融合，具有非常大的实用优势。

CV-QKD系统主要分为量子通信阶段和经典通信阶段。由于量子信道是一个实时变化的信道，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。经典通信过程即后处理过程可以使得合法通信双方提取出无条件安全的密钥。纠错是后处理中非常重要的一步，但是在长距离CV-QKD中量子信号非常微弱，信噪比极低，纠错难度极大。目前一种可以应用与CV-QKD系统的纠错码是喷泉码(LT码或Raptor码)，喷泉码本身具有无固定码率的特点，信息传输前码的码率并不确定，而且发送端的编码信息都是随机产生的，接收端起初并不清楚编码结构，其无固定码率的特点使其可以不需要设计复杂度高的校验矩阵，同时能达到较高协调效率。

在实际应用的CV-QKD系统中，不同的应用环境导致传输的数据信噪比不同，用于纠错的喷泉码度数分布个数就需要无限多个，不然很难适用于所有的实验环境，而如果采用与实际信噪比并不匹配的度数分布进行编码译码，也会降协调效率，从而降低系统安全码率。因此，这就是本发明解决的一个主要问题，研究一种适用于连续变量量子密钥分发的宽信噪比变化的数据纠错方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于连续变量量子密钥分发的宽信噪比变化的数据纠错方法。根据本方法可在较大范围内的各个信噪比点实现高效纠错，从而提高系统安全码率，适用于不同距离的连续变量量子密钥分发系统。

1.本发明通过以下步骤实现上述方法：

步骤1：利用连续变量量子密钥分发后处理的参数估计步骤估计出量子信道的实际信噪比r_real；

步骤2：在r_real值附近选取一个固定的信噪比区间，并在该区间内等间隔选取若干信噪比点，利用经典最优化方法计算喷泉码在这些信噪比条件下的的度数分布；

步骤3：根据这些点度数分布计算适用于该信噪比区间的度数分布；

步骤4：利用新生成度数分布进行编码和译码。

2.根据内容1所述的一种适用于连续变量量子密钥分发的宽信噪比变化的数据纠错方法，步骤2的具体步骤如下：

步骤2A：在r_real附近取一定信噪比区间[r_low,r_high]，满足r_low＜r_real＜r_high，在区间内等间隔选取其中s个点{r₁,r₂,...,r_s}，其中r_low＝r_s＜r_s-1＜...＜r₁＝r_high；

步骤2B：确定连续变量量子密钥分发中后处理的数据协调过程中二进制真随机数的长度k，该随机数将作为协商后密钥；

步骤2C：利用经典最优化方法计算该s个点的度数分布Ω⁽ⁱ⁾(x)，其中1≤i≤s。

3.根据内容1所述的一种适用于连续变量量子密钥分发的宽信噪比变化的数据纠错方法，步骤3的具体步骤如下：

步骤3A：根据步骤2得到的度数分布及真随机数长度k可以计算s个信噪比下理论编码码长n_i；

步骤3B：利用n_i和Ω⁽ⁱ⁾(x)计算区间[r_low,r_high]的新度数分布。

4.根据内容1所述的一种适用于连续变量量子密钥分发的宽信噪比变化的数据纠错方法，步骤4的具体步骤如下：

步骤4A：根据实际得到信噪比r_real在区间[r_low,r_high]内选取匹配度数分布；

步骤4B：利用所选度数分布进行编译码。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

在实际CV-QKD系统中，利用本发明可以得到较宽信噪比下的度数分布，能在较大范围内的各个信噪比点实现高效纠错，其效率不会受到噪声小幅度变化的影响，非常适用于不同距离的连续变量量子密钥分发系统。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要的附图做简单的介绍。

图1为本发明所用方法的流程图。

具体实施方案

下面举例具体说明本发明的方法。本发明是一种适用于连续变量量子密钥分发的宽信噪比变化的数据纠错方法，具体实施方式如下：

在CV-QKD系统中，合法通信双方Alice和Bob在经过量子态制备，量子态传输和量子态探测以后，共享一组具有关联性的原始数据。但是由于量子信道存在噪声干扰，双方的初始密钥是不一致的，因此需要通过数据协调过程来去除误码，使双方获得一致的密钥。

若发送端Alice的原始数据为X，调制方差为∑²，则X服从均值为0，方差为∑²的高斯分布；接收端Bob的原始数据为Y，信道的噪声方差为σ²，则Y服从均值为0，方差为∑²+σ²的高斯分布。利用CV-QKD系统中后处理中的参数估计过程估计出量子信道的实际信噪比r_real＝V_A/σ²。首先确定连续变量量子密钥分发中后处理的数据协调过程中二进制真随机数的长度k，该随机数将作为协商后密钥。在r_real附近取一定信噪比区间[r_low,r_high]，满足r_low＜r_real＜r_high，在区间内等间隔选取其中s个点{r₁,r₂,...,r_s}，其中r_low＝r_s＜r_s-1＜...＜r₁＝r_high，利用最优化方法计算该s个点的度数分布Ω⁽ⁱ⁾(x)，其中1≤i≤s，如果直接在系统中利用这些点的度数分布进行编译码，那么当信噪比变化时协调效率也会降低，所以不能直接使用。接着根据以上步骤得到的化度数分布和真随机数的长度k可以计算s个信噪比下理论编码码长{n₁,n₂,...,n_s}，利用n_i和Ω⁽ⁱ⁾(x)计算ΔΩ^*(i)(x)＝(n_iΩ⁽ⁱ⁾(x)-n_i-1Ω^(i-1)(x))/(n_i-n_i-1)，整理的到该区间[r_low,r_high]内的度数分布{ΔΩ^*(1)(x),ΔΩ^*(2)(x),...,ΔΩ^*(s)(x)}。根据实际得到信噪比r_real在区间[r_low,r_high]内选取匹配度数分布，最后Alice和Bob利用该度数分布进行编码和译码。

通过上述实例，详细说明了如何利用喷泉码在连续变量量子密钥分发系统中宽信噪比变化的纠错过程。本本发明可以得到较宽信噪比下的度数分布，能在较大范围内的各个信噪比点实现高效纠错，其效率不会受到噪声小幅度变化的影响，非常适用于不同距离的连续变量量子密钥分发系统。

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 (7)

1.一种适用于连续变量量子密钥分发的宽信噪比变化的数据纠错方法，包括如下步骤：

步骤1：利用连续变量量子密钥分发后处理的参数估计步骤估计出量子信道的实际信噪比r_real；

步骤2：在r_real值附近选取一个固定的信噪比区间，并在该区间内等间隔选取若干信噪比点，利用经典最优化方法计算喷泉码在这些信噪比点的度数分布；

步骤3：根据这些点度数分布计算适用于该信噪比区间的度数分布；

步骤4：利用新生成度数分布进行编码和译码。

2.根据权利要求1所述的一种适用于连续变量量子密钥分发的宽信噪比变化的数据纠错方法，其特征在于，在r_real值附近选取的信噪比区间需要保证能覆盖实际信噪比的变动范围。

3.根据权利要求1所述的一种适用于连续变量量子密钥分发的宽信噪比变化的数据纠错方法，其特征在于，为了提高实际系统的工作效率，需要在应用前计算得到适用于该信噪比区间的度数分布。

4.根据权利要求1所述的一种适用于连续变量量子密钥分发的宽信噪比变化的数据纠错方法，其特征在于，利用最优化方法计算得到提前选取的若干信噪比点的度数分布，在实际时变的信噪比条件下该度数分布性能不稳定，计算这些点度数分布仅作为中间过程。

5.根据权利要求1所述的一种适用于连续变量量子密钥分发的宽信噪比变化的数据纠错方法，步骤2的具体步骤如下：

步骤2A：在r_real附近取一定信噪比区间[r_low,r_high]，满足r_low＜r_real＜r_high，在区间内等间隔选取其中s个点{r₁,r₂,...,r_s}，其中r_low＝r_s＜r_s-1＜...＜r₁＝r_high；

步骤2B：确定连续变量量子密钥分发中后处理的数据协调过程中二进制真随机数的长度k，该随机数将作为协商后密钥；

步骤2C：利用经典最优化方法计算该s个点的度数分布Ω⁽ⁱ⁾(x)，其中1≤i≤s。

6.根据权利要求1所述的一种适用于连续变量量子密钥分发的宽信噪比变化的数据纠错方法，步骤3的具体步骤如下：

步骤3A：根据步骤2得到的度数分布及真随机数长度k可以计算s个信噪比下理论编码码长n_i；

步骤3B：利用n_i和Ω⁽ⁱ⁾(x)计算区间[r_low,r_high]的新度数分布。

7.根据权利要求1所述的一种适用于连续变量量子密钥分发的宽信噪比变化的数据纠错方法，步骤4的具体步骤如下：

步骤4A：根据实际得到信噪比r_real在区间[r_low,r_high]内选取匹配度数分布；

步骤4B：利用所选度数分布进行编译码。