CN110752918B - 一种用于连续变量量子密钥分发的快速译码装置及方法 - Google Patents

一种用于连续变量量子密钥分发的快速译码装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于连续变量量子密钥分发的快速译码装置及方法，发送端和接收端均包括依次连接的基比对单元、参数估计单元、数据离散化单元、纠错单元和私钥密性放大单元；所述纠错单元分为编码端和译码端，在编码端，通过将纠错矩阵H与码字C相乘得到校验子SPC，并将校验子通过认证信道发送给译码端，在译码端，利用纠错矩阵H、校验子SPC以及接收到的信息y进行译码。与现有技术相比，本发明的积极效果是：本发明的纠错译码方案，利用纠错矩阵的特性，可提高纠错译码的速率，可有效提高CV‑QKD系统的实时安全码率。

Description

一种用于连续变量量子密钥分发的快速译码装置及方法
技术领域
本发明涉及一种用于连续变量量子密钥分发的快速译码装置及方法。
背景技术
随着量子计算技术的发展，基于计算复杂度的经典密码体系面临重大的安 全隐患。量子密钥分发(Quantum Key Distribution，QKD)是一种基于量子物 理原理的密钥分发系统，具有无条件安全性，引起了广泛的关注与研究。
量子密钥分发技术主要分为离散变量量子密钥分发(Discrete VariableQuantum key Distribution,DV-QKD)和连续变量量子密钥分发(Continuous VariableQuantum Key Distribution,CV-QKD)两类。相比于DV-QKD，CV-QKD 具有潜在码率高、不需要单光子探测器、与经典光纤通信网络融合性好等优点， 被认为是极具应用前景的技术方案。
对于CV-QKD系统，为了实现接收方与发送方共享相同的密钥，需要通 过数据后处理进行数据协商。然而，微弱量子信号经过长距离光纤传输后，信 噪比非常低，导致密钥分发的发送方和接收方的原始数据误码率非常高，纠错 极其困难，纠错译码的速率非常低，这也是制约CV-QKD系统性能提升的主 要技术瓶颈之一。
低密度奇偶校验码(LDPC)是实现CV-QKD系统数据协商的主流技术手 段。然而，对于CV-QKD，由于量子信号经过光纤传输后信噪比低，导致纠错 非常困难，纠错译码的速率非常低，严重限制了CV-QKD系统的实时安全码 率提升。
制约纠错译码速率的原因有两方面。第一，由于信噪比非常低，纠错矩阵 非常大，纠错矩阵的度较大，造成译码的单次迭代时间长；第二，由于信噪比 非常低，译码收敛需要的迭代次数大，制约了译码的速率。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供了一种用于连续变量量子密钥 分发的快速译码装置及方法，利用纠错矩阵的特性，可提高纠错译码的速率， 可有效提高CV-QKD系统的实时安全码率。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于连续变量量子密钥 分发的快速译码装置，发送端和接收端均包括依次连接的基比对单元、参数估 计单元、数据离散化单元、纠错单元和私钥密性放大单元；所述纠错单元分为 编码端和译码端，在编码端，通过将纠错矩阵H与码字C相乘得到校验子SPC， 并将校验子通过认证信道发送给译码端，在译码端，利用纠错矩阵H、校验子 SPC以及接收到的信息y进行译码。
本发明还提供了一种用于连续变量量子密钥分发的快速译码方法，采用的 纠错矩阵H＝[H1H2]，其中，矩阵H2的列重为1，迭代译码过程包括如下步骤：
步骤一、初始化：
Figure BDA0002216088480000021
Figure BDA0002216088480000022
Figure RE-GDA0002328423370000032
其中：
Lch,n表示初始概率对数比消息；
yn表示多维协商的等效码字；
Figure BDA0002216088480000024
表示噪声方差；
Figure BDA0002216088480000025
表示初始化校验节点传递给变量节点的对数似然比；
Figure BDA0002216088480000031
表示初始化迭代中间参数；
m、n分别表示校验节点和变量节点序号；
步骤二、迭代更新度不为1的变量节点：
对于第i次迭代，依次对矩阵H1的每列进行以下计算：
假设当前为第n列，M(n)表示H矩阵中第n列所有不为0的元素的行坐标 的集合，对于
Figure BDA0002216088480000032
Figure BDA0002216088480000033
Figure BDA0002216088480000034
Figure BDA0002216088480000035
Figure BDA0002216088480000036
其中：
Figure BDA0002216088480000037
表示第i次迭代变量节点传递给校验节点的对数似然比；
Figure BDA0002216088480000038
表示第i次迭代校验节点传递给变量节点的对数似然比；
Figure BDA0002216088480000039
表示第i次迭代后验概率；
SPCm表示第m个校验子；
Figure BDA00022160884800000310
表示第i次迭代中间参数；
Figure BDA00022160884800000311
Figure BDA00022160884800000312
步骤三、更新度为1的变量节点：
对于每个度为1的变量节点,n＝N1+1,N1+2,…N1+N2，row(n)表示H矩阵的 第n列值为1的元素的行坐标，进行以下计算：
Figure BDA00022160884800000313
Figure BDA00022160884800000314
其中：
Lrrow(n)n表示度为1的变量节点传递给校验节点的对数似然比；
Figure BDA0002216088480000041
表示度为1的校验节点传递给变量节点的对数似然比；
Figure BDA0002216088480000042
表示迭代中间参数；
Lqn表示度为1的后验概率；
步骤四、译码判决：
对于每个变量节点n＝1,2,…,N1+N2，判断Lqn是否小于0：若否，则对应 的码字
Figure BDA0002216088480000043
为0；若是，则对应的码字
Figure BDA0002216088480000044
为1。
与现有技术相比，本发明的积极效果是：
本发明的纠错译码方案，利用纠错矩阵的特性，可提高纠错译码的速率， 可有效提高CV-QKD系统的实时安全码率。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1为本发明的总系统框图；
图2为纠错单元示意图。
具体实施方式
对于连续量子密钥分发系统，后处理的基本流程如图1所示，发送端和接 收端分别先后进行基比对单元、参数估计单元、数据离散化单元、纠错单元和 私钥密性放大单元。
发送端和接收端通过基比对单元传递测量基，完成数据筛选，将筛选后的 测量基相同的数据分别传递给发送端和接收端的参数估计单元；得到数据后， 参数估计单元执行参数估计，发送端和接收端对约定好的一部分数据共享后进 行参数估计，并将计算结果信噪比、安全码率等参数传递给纠错单元；数据离 散化单元将除参数估计外的剩余数据进行数据离散化作为纠错单元的原始数 据；纠错单元具体操作会在下文详细介绍；私钥密性放大单元将纠错单元得到 的一致密钥通过前面参数估计得到的安全码率对密钥进行压缩，得到安全密钥。
通常，纠错单元分为编码端和译码端，如图2所示。在编码端，通过将纠 错矩阵H与码字C相乘得到校验子SPC＝H*C，并将校验子通过认证信道无误地 发送给译码端。在译码端，利用纠错矩阵H、校验子SPC以及接收到的信息y 进行译码。
根据量子密钥分发方案的不同。对于正向协商方案，编码端在发送端，译 码端在接收端；对于反向协商方案，编码端在接收端，译码端在发送端。本发 明所涉及内容适用于以上两种方案。
对于连续变量量子密钥分发系统，其采用的纠错矩阵可以表示为
H＝[H1H2]
的形式。其中，矩阵H2的每一列仅仅有一个元素为1，其他元素为0，也 就是列重为1。
假设矩阵H1的维度为M*N1，H2的维度为M*N2。
利用矩阵H2列重为1的特点，可大幅减少迭代译码过程中的计算量。
步骤1：初始化
Figure BDA0002216088480000051
Figure BDA0002216088480000052
Figure RE-GDA0002328423370000063
Lch,n——初始概率对数比消息
yn——多维协商的等效码字
Figure BDA0002216088480000054
——噪声方差
Figure BDA0002216088480000061
——初始化校验节点传递给变量节点的对数似然比
Figure BDA0002216088480000062
——初始化迭代中间参数
m、n——校验节点和变量节点序号
步骤2：迭代更新度不为1的变量节点
第i次迭代(i＝1,2,…,Max，其中，Max为最大迭代次数)，根据校验矩阵 H1，按照每列的情况，依次进行以下计算。
假设当前为第n列(n＝1,2,…,N1)，M(n)表示H矩阵中第n列所有不为0的 元素的行坐标的集合。对于
Figure BDA0002216088480000063
Figure BDA0002216088480000064
Figure BDA0002216088480000065
Figure BDA0002216088480000066
Figure BDA0002216088480000067
Figure BDA0002216088480000068
——第i次迭代变量节点传递给校验节点的对数似然比
Figure BDA0002216088480000069
——第i次迭代校验节点传递给变量节点的对数似然比
Figure BDA00022160884800000610
——第i次迭代后验概率
SPCm——第m个校验子
Figure BDA00022160884800000611
——第i次迭代中间参数
其中，
Figure BDA00022160884800000612
Figure BDA00022160884800000613
在实际的迭代过程中，如果不同列的非零元素的位置均不相同，则在每次 迭代时可以对这些列并行执行以上操作。
步骤3：更新度为1的变量节点
对于每个度为1的变量节点,n＝N1+1,N1+2,…N1+N2，row(n)表示H矩阵的 第n列值为1的元素的行坐标，进行以下计算：
Figure BDA0002216088480000071
Figure BDA0002216088480000072
Lrrow(n)n——度为1的变量节点传递给校验节点的对数似然比
Figure BDA0002216088480000073
——度为1的校验节点传递给变量节点的对数似然比
Figure BDA0002216088480000074
——迭代中间参数
Lqn——度为1的后验概率
步骤4：译码判决
对于每个变量节点n＝1,2,…,N1+N2，
如果Lqn大于等于0，则对应的码字
Figure BDA0002216088480000075
为0；如果Lqn小于0，则对应的码 字
Figure BDA0002216088480000076
为1。

Claims (7)

1.一种用于连续变量量子密钥分发的快速译码方法，其特征在于：发送端和接收端均包括依次连接的基比对单元、参数估计单元、数据离散化单元、纠错单元和私钥密性放大单元；所述纠错单元分为编码端和译码端，在编码端，通过将纠错矩阵H与码字C相乘得到校验子SPC，并将校验子通过认证信道发送给译码端，在译码端，利用纠错矩阵H、校验子SPC以及接收到的信息y进行译码；其中，所述纠错矩阵H＝[H1 H2]，其中，矩阵H2的列重为1；迭代译码过程包括如下步骤：
步骤一、初始化：
Figure FDA0003392973710000011
Figure FDA0003392973710000012
Figure FDA0003392973710000013
其中：
Lch，n表示初始概率对数比消息；
yn表示多维协商的等效码字；
Figure FDA0003392973710000014
表示噪声方差；
Figure FDA0003392973710000015
表示初始化校验节点传递给变量节点的对数似然比；
Figure FDA0003392973710000016
表示初始化迭代中间参数；
m、n分别表示校验节点和变量节点序号；
步骤二、迭代更新度不为1的变量节点：
对于第i次迭代，依次对矩阵H1的每列进行以下计算：
假设当前为第n列，M(n)表示H矩阵中第n列所有不为0的元素的行坐标的集合，对于
Figure FDA0003392973710000017
Figure FDA0003392973710000018
Figure FDA0003392973710000021
Figure FDA0003392973710000022
Figure FDA0003392973710000023
其中：
Figure FDA0003392973710000024
表示第i次迭代变量节点传递给校验节点的对数似然比；
Figure FDA0003392973710000025
表示第i次迭代校验节点传递给变量节点的对数似然比；
Figure FDA0003392973710000026
表示第i次迭代后验概率；
SPCm表示第m个校验子；
Figure FDA0003392973710000027
表示第i次迭代中间参数；
Figure FDA0003392973710000028
Figure FDA0003392973710000029
步骤三、更新度为1的变量节点：
对于每个度为1的变量节点，n＝N1+1，N1+2，...N1+N2，row(n)表示H矩阵的第n列值为1的元素的行坐标，进行以下计算：
Figure FDA00033929737100000210
Figure FDA00033929737100000211
其中：
Lrrow(n)n表示度为1的变量节点传递给校验节点的对数似然比；
Figure FDA00033929737100000212
表示度为1的校验节点传递给变量节点的对数似然比；
Figure FDA00033929737100000213
表示迭代中间参数；
Lqn表示度为1的后验概率；
步骤四、译码判决：
对于每个变量节点n＝1，2，...，N1+N2，判断Lqn是否小于0：若否，则对应的码字
Figure FDA0003392973710000031
为0；若是，则对应的码字
Figure FDA0003392973710000032
为1。
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的快速译码方法，其特征在于：对于正向协商方案，编码端在发送端，译码端在接收端；对于反向协商方案，编码端在接收端，译码端在发送端。
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的快速译码方法，其特征在于：所述基比对单元用于传递测量基，完成数据筛选，并将筛选后的测量基相同的数据传递给参数估计单元
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的快速译码方法，其特征在于：所述参数估计单元用于对约定好的一部分数据共享后进行参数估计，并将估计得到的信噪比和安全码率传递给纠错单元；同时将除参数估计外的剩余数据发送给数据离散化单元。
5.根据权利要求4所述的一种用于连续变量量子密钥分发的快速译码方法，其特征在于：所述数据离散化单元用于将除参数估计外的剩余数据进行数据离散化后作为原始数据发送给纠错单元。
6.根据权利要求5所述的一种用于连续变量量子密钥分发的快速译码方法，其特征在于：所述私钥密性放大单元用于将纠错单元得到的一致密钥通过安全码率进行压缩，得到安全密钥。
7.根据权利要求1所述的一种用于连续变量量子密钥分发的快速译码方法，其特征在于：在迭代过程中，如果不同列的非零元素的位置均不相同，则在每次迭代时对这些列并行执行步骤二的操作。
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