CN110233728B - 一种基于喷泉码的连续变量量子密钥分发数据协调方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于喷泉码的连续变量量子密钥分发数据协调方法。该方法的具体实现步骤如下，步骤1：数据协调发起端产生一定数量二进制真随机数作为原始密钥，并对该组随机数进行喷泉码编码；步骤2：通过多维协商算法计算编码后码字与原始数据之间的映射关系，并发至数据协调接收端；步骤3：数据协调接收端接收到映射关系后，将其原始数据执行映射操作，然后经过喷泉码译码得到原始密钥；步骤4：如果译码失败，则重复步骤2、3直到译码成功，反之，则处理下一组密钥。本方法基于喷泉码无固定码率的特点，不需要构造复杂的奇偶校验矩阵，可以实现在各个信噪比条件下纠错，并且能够获得较高的协调效率。

Description

一种基于喷泉码的连续变量量子密钥分发数据协调方法

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后处理中的一种基于喷泉码的数据协调方法。该方法尤其适用于低信噪比条件下的连续变量量子密钥分发系统，能够获得较高的协调效率，过程中不需要构造复杂的校验矩阵，从而降低后处理过程复杂度。

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无条件安全的密钥。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。由于CV-QKD系统中的数据的信噪比极低，纠错难度极大，因此数据协调部分尤其是编码译码部分的复杂度非常高，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。目前应用较多的后处理编译码方案是LDPC编码，能够实现低信噪比下的高协调效率纠错，但是其必须提前在某固定的信噪比下设计性能良好的校验矩阵，不但复杂度高，而且信噪比稍微变化其性能急剧下降，所以有必要引入低复杂度的纠错码，同时具有较高的协调效率。

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，不需要设计复杂度高的校验矩阵，但是喷泉码如何有效的应用于实际的连续变量量子密钥分发系统，而且不影响系统的安全性，这就是本发明解决的一个主要问题，设计了一种基于喷泉码的连续变量量子密钥分发数据协调方法。

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的基于喷泉码的数据协调方法。该方法将喷泉码与CV-QKD的后处理多维协商算法相结合，保证了编译码过程的安全性，并且降低了构造校验矩阵的难度，能够在低信噪比条件下具有较高的协调效率。

本发明通过以下步骤实现上述方法：

步骤1：在连续变量量子密钥分发系统中，经过量子态制备、传输和探测后，数据协调发起端得到原始数据Y，数据协调接收端得到原始数据X；

步骤2：初始由数据协调发起端产生包含K个二进制真随机数的序列U作为原始密钥；

步骤3：对序列U进行喷泉码编码得到二进制序列C，把C映射成为序列S∈{-1,+1}；

步骤4：数据协调发起端利用原始数据Y与序列S通过多维协商算法计算映射关系M并将该映射关系M发送至数据协调接收端；

步骤5：数据协调接收端利用原始数据X与接收的映射关系M计算得到序列S′，然后对序列S′进行喷泉码译码；

步骤6：如果译码失败，则重复步骤3、4、5直到译码成功，反之，则进处理下一组密钥。

步骤3的具体步骤如下：

步骤3a：数据协调发起端把序列U进行喷泉码编码得到二进制序列C∈{0,1}，该序列仍然满足均匀分布；

步骤3b：多维协商算法的维度为d，二进制序列C的长度L是d的整数倍；

步骤3c：把二进制序列C映射成为序列S∈{-1,+1}。

步骤4的具体步骤如下：

步骤4a：连续变量量子密钥分发系统数据协调发起端有原始数据Y，数据协调接收端有原始数据X，将每d个数据为一组进行多维协商归一化，即x＝X/||X||，其中

y＝Y/||Y||，其中

步骤4b:数据协调发起端利用归一化后数据y与序列S计算映射关系M，满足M(y,S)y＝S，并将该映射关系发送至数据协调接收端。

步骤5的具体步骤如下：

步骤5a：数据协调接收端利用归一化后数据x与接收的映射关系M计算得到序列S′＝M(y,S)x；

步骤5b：然后对序列S'执行喷泉码译码操作，如果译码成功就得到原始密钥序列U。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

喷泉码与多维协商结合实现了高性能数据协调，而且不影响其安全性，不需要针对单一信噪比设计复杂的校验矩阵，降低了实现复杂度，同时保持较高的协调效率。

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

下面结合说明书附图举例具体说明本发明的方法。本发明是一种用于连续变量量子密钥分发的基于喷泉码的数据协调方法，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。以反向协调系统为例，设定双方的X或Y原始数据长度为l。首先Bob端随机产生k个二进制真随机数，作为原始码字，将该原始码字进行喷泉码编码(LT码、Raptor码等)，根据喷泉码编码的特点，编码后的码字u_i∈(0,1)满足均匀分布，其中i为组数。

然后，Bob取出d(d＝2,4,8)个数据为一组进行归一化操作，即y＝Y/||Y||，其中

此时y在超几何空间中的单位球面上符合均匀分布，同样，Alice端也进行同样的操作，即x＝X/||X||，其中

Bob端k个原始码字进行喷泉码编码时需要考虑所采用的维度d，所以取每d个码字为一组，然后讲其映射成为(-1,+1)二进制数据u，此时可以在Bob端计算得到映射关系M，满足M(y,u)y＝u，然后Bob端将映射关系M发送给Alice端。

Alice端接收到映射关系M之后，对应的将归一化后的数据x通过映射关系M执行相同映射操作，即u′＝M(y,u)x，当i的数量足够多时，此时进行喷泉码译码操作得到纠错后数据，如果译码成功即可恢复出k个原始码字，此时Alice端给Bob端发送标志信号，开始下一轮密钥的迭代生成；如果译码失败，则继续接收Bob端更多的映射关系M，意味着Bob端需要源源不断的生成该映射关系以保证Alice端能够译码成功。

通过上述实例，详细说明了如何实现基于喷泉码在连续变量量子密钥分发的协调过程。本发明中的方法将喷泉码与CV-QKD的后处理中多维协商算法相结合，保证了编译码过程的安全性，并且不需要构造低码率校验矩阵，降低了实现过程的复杂度，能够在低信噪比条件下具有较高的协调效率，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喷泉码的数据协调方法，包括如下步骤：

步骤1：在连续变量量子密钥分发系统中，经过量子态制备、传输和探测后，数据协调发起端得到原始数据Y，数据协调接收端得到原始数据X；

步骤2：初始由数据协调发起端产生包含K个二进制真随机数的序列U作为原始密钥；

步骤3：对序列U进行喷泉码编码得到二进制序列C，把C映射成为序列S∈{-1,+1}；

步骤4：数据协调发起端利用原始数据Y与序列S通过多维协商算法计算映射关系M并将该映射关系M发送至数据协调接收端；

步骤5：数据协调接收端利用原始数据X与接收的映射关系M计算得到序列S′，然后对序列S′进行喷泉码译码；

步骤6：如果译码失败，则重复步骤3、4、5直到译码成功，反之，则处理下一组密钥。

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喷泉码的数据协调方法，步骤3的具体步骤如下：

步骤3a：数据协调发起端把序列U进行喷泉码编码得到二进制序列C∈{0,1}，该序列仍然满足均匀分布；

步骤3b：多维协商算法的维度为d，二进制序列C的长度L是d的整数倍；

步骤3c：把二进制序列C映射成为序列S∈{-1,+1}。

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喷泉码的数据协调方法，步骤4的具体步骤如下：

步骤4a：连续变量量子密钥分发系统数据协调发起端有原始数据Y，数据协调接收端有原始数据X，将每d个数据为一组进行多维协商归一化，即x＝X/||X||，其中

y＝Y/||Y||，其中

步骤4b:数据协调发起端利用归一化后数据y与序列S计算映射关系M，满足M(y,S)y＝S，并将该映射关系发送至数据协调接收端。

4.根据权利要求3所述的一种用于连续变量量子密钥分发系统中的基于喷泉码的数据协调方法，步骤5的具体步骤如下：

步骤5a：数据协调接收端利用归一化后数据x与接收的映射关系M计算得到序列S′＝M(y,S)x；

步骤5b：然后对序列S'执行喷泉码译码操作，如果译码成功就得到原始密钥序列U。

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