CN111835515B - 一种基于差分相移的量子秘密共享方法和系统 - Google Patents

一种基于差分相移的量子秘密共享方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于差分相移的量子秘密共享方法和系统，系统包括发送端、探测端等，探测端包括接收单元和检测单元，接收单元包括偏振控制器和用于合束的分束器，检测单元包括非平衡干涉仪和一对探测器。本发明的探测端根据干涉结果进行探测响应且仅公布各探测器响应的时刻，同时根据发射数据量与探测计数计算用于成码的增益；发送端各自根据响应时刻形成未经后处理的原始密钥；之后探测端随机选择若干个响应时刻，按照预设规律计算系统错误率，最后通过对原始密钥进行后处理，发送端一和发送端二共享了探测端的密钥。本发明能够实现两个发送端和探测端之间的量子秘密共享，密钥安全性高，同时进一步提高了密钥成码率与传输距离。

Description

一种基于差分相移的量子秘密共享方法和系统
技术领域
本发明涉及量子通信技术领域，尤其涉及一种基于差分相移的量子秘密共享方法和系统。
背景技术
最早的量子秘密共享协议是1999年由Hillery M等人提出的基于GHZ态分发的HBB协议。(Physical Review A 59(3):1829.)但是由于GHZ态本身难以制备，HBB协议一直有成码率低，实验仪器复杂，实验实现难度大的问题，无法实用化。其后，为了一定程度上解决这一问题，第一个利用后选择GHZ态实现测量设备无关的量子秘密共享方案(MDI-QSS)由本发明人团队提出(Physical review letters 114(9):090501.)。但是该方案依然具有实验装置复杂，实验程序繁琐，成码率低，较难实用化的问题。与此同时，2008年，由Inoue K等人首次提出了基于差分相移的量子秘密共享协议(DPS-QSS)(Optics express 16(20):15469-15476.)。该方案通过使用极易获取的弱相干光实现了量子秘密共享，回避了制备GHZ态的问题。但是该方案依然具有安全性差，成码率低，传输距离短和难以实用化的问题。尽管经过20多年的努力，量子秘密共享的实际应用依然存在着根本性的制约。最近三个理论小组：比利时布鲁塞尔大学Siddhartha Das等人(arXiv:1912.03646)、日本信息与通信技术研究所Masahiro Takeoka等人(arXiv:1912.10658)和英国约克大学Stefano Pirandola(arXiv:1912.11355)分别独立地发现量子会议密钥协商的安全成码率受到量子网络多粒子纠缠分发容量的限制，其具体表现形式为码率随信道传输率成线性变化，而由于量子秘密共享与量子会议密钥协商的相似性，该限制也同样适用于量子秘密共享的成码率计算。
发明内容
技术目的：本发明提供了一种新的针对独立攻击无条件安全的量子秘密共享方案与系统，易于实现，设备简单，实现了密钥成码率随信道传输率的平方根线性变化，打破了无中继量子秘密共享的传输成码率与距离的限制，极大地提高了密钥传输成码率与传输距离。
技术方案：为实现上述技术目的，本发明采用了如下技术方案：
一种基于差分相移的量子秘密共享方法，其特征在于：包括参与秘密共享的多个发送端和持有密钥的一个可信探测端，所述方法在任意两个发送端和探测端间实施，两个发送端分别记为发送端一和发送端二，包括步骤：
制备阶段：发送端一和发送端二各自发出平均光子数小于1的弱相干光脉冲，通过量子信道到探测端，其中一个发送端的信号通过延迟线进行延时，延时时间为发送脉冲周期的一半；在制备阶段中，发送端一和发送端二均以1/2的概率对光脉冲信号进行相位为0和π的相位编码；在制备阶段中，发送端一和发送端二用相位调制0对应逻辑比特0，相位调制π对应逻辑比特1；
测量阶段：探测端包括接收单元以及一个以上的检测单元，接收单元包括对信号进行偏振方向调整的两个偏振控制器和用于合束的分束器，各检测单元包括对接收到的信号进行干涉处理的干涉器和根据干涉结果进行探测响应的一对探测器；发送端一和发送端二发送的弱相干光脉冲经过偏振控制器调整后偏振方向相同，经过合束设备后传输到检测单元；在测量阶段中，探测器判断经过干涉的两束光的相位是相同还是相差π，用逻辑比特0的干涉结果对应逻辑比特0，相位差为π的干涉结果对应逻辑比特1；如果探测器一和探测器二同时响应，等概率随机选择逻辑比特0或者1对应干涉结果，形成原始密钥；
调制阶段：探测端仅公布各探测器响应的时刻，根据响应时刻发送端一和发送端二各自形成用于秘密共享的原始密钥；
参数估计：探测端首先根据发送端的发送数据量与自己的探测计数计算用于成码的量子态的增益，之后选取预设数量的原始密钥用于计算系统错误率，具体由探测端随机选择至少一个响应时刻，由发送端一和发送端二交替着将对应所选响应时刻自身的逻辑比特值通过公共信道发送给探测端，探测端根据所选响应时刻自身的探测结果与发送端一和发送端二发送的逻辑比特值计算系统错误率，并判断是否满足预设要求；
后处理阶段：发送端与探测端对剩余的原始密钥进行经典纠错、错误验证和隐私放大处理，发送端一和发送端二各自提取出能够抵御独立攻击的用于量子秘密共享的密钥，实现了对探测端处提取的密钥的共享。
优选地，在制备阶段中，包括准备阶段：在探测端设置分别对应发送端一和发送端二的两个偏振控制器，分别调整各个偏振控制器使得通过偏振控制器的光脉冲偏振方向相同，调整之后固定偏振控制器。
优选地，所述测量阶段中，检测单元的干涉器由一对分束器组成，对接收到的信号进行分束处理得到两束光脉冲，然后将其中一束光脉冲弛豫预设时间后再与另一束光脉冲通过分束器进行干涉，弛豫预设时间为发送脉冲周期的一半。
一种基于差分相移的量子秘密共享系统，用于执行所述方法，其特征在于：包括通过量子信道连接的发送端一、发送端二和探测端，探测端包括接收单元以及连接接收单元输出端的一个以上的检测单元；
所述接收单元包括偏振控制器一、偏振控制器二和分束设备，发送端一和发送端二的输出端分别通过偏振控制器一、偏振控制器二连接到分束设备，分束设备用于将两个发送端输出的信号进行合束后发送给检测单元；
各检测单元包括构成干涉器的分束器二和分束器三、构成探测器的探测器一和探测器二，分束器二用于将分束设备发送的信号分为两束信号，且分别通过不同长度的路径弛豫预设时间后发送到分束器三，由分束器三对接收到的两束信号进行干涉，干涉后再次分成两束信号且发送给探测器一和探测器二。
优选地，所述分束设备采用分束器或光开关。
优选地，所述发送端一和发送端二均包括顺序连接的连续激光器、相位调制器和信号衰减器；
所述连续激光器产生相位稳定且在时间上连续的光信号；
所述相位调制器用于对通过的光信号进行相位编码，得到光脉冲信号；
所述信号衰减器，用于将相位调制器输出的光脉冲信号进行弱光调制，衰减至低于单光子量级后再输出至探测端。
优选地，所述分束器二与分束器三组成非平衡Mach-Zehnder干涉仪。
优选地，所述发送端一到分束设备的光纤距离大于发送端二到分束设备的光纤距离。
技术效果：由于采用了上述技术方案，本发明具有如下技术效果：
(1)本发明的量子秘密共享方案，能够实现任意两个发送方之间对接收方密钥的共享，即实现双方共享密钥；实现了两个发送端之间的量子秘密共享，同时抵御了窃听者的独立攻击。
(2)本发明中的秘密共享的密钥成码率不再随信道传输率线性衰减，实现了密钥成码率随传输率的平方根线性衰减，从而提高了密钥成码率与传输距离。
(3)本发明提出的一种量子秘密共享方案与系统，和现有技术中的大多数量子秘密共享方案与系统比，发送端只需要激光源、相位调制器和信号衰减器，使用相位编码方式，设备简单，可操作性强，更具有实用化的意义。
(3)本发明提出的基于差分相移的QSS方案与系统，和现阶段同样基于差分相移方法的QSS方案与系统相比，首先由于脉冲信号不需要经过其中一个参与者，解决了其无法抵御特洛伊木马攻击的安全性问题；同时，由于本发明打破了密钥传输时的成码率限制，从而实现了成码率从80km到600km的飞跃。
附图说明
图1为本发明实施例一的结构示意图；
图2为本发明实施例二的结构示意图；
图3为本发明实施例三的结构示意图；
图4为本发明理想情况下成码率图。
具体实施方式
如图1所示，本发明公开了一种结合图1，本发明为一种量子秘密共享方案与系统，包括通过不安全的量子信道连接的两个发送端与一个探测端，即发送端一和发送端二；
所述发送端包括连续激光器、相位调制器和信号衰减器，各自通过信道将光脉冲传输到探测端；
所述连续激光器产生相位稳定时间上连续的光信号；
所述相位调制器用于对通过的光信号进行相位编码(0或者π)，得到脉冲序列信号；
所述信号衰减器，用于将相位调制器输出的脉冲序列光信号进行弱光调制，衰减至低于单光子量级后再输出至探测端；
所述探测端包括接收单元和检测单元，接收单元包括偏振控制器一、偏振控制器二与分束器一。
所述偏振控制器一与偏振控制器二用于将接下来进入分束器的来自两个发送端的光信号的偏振方向调整至相同；
所述分束器一将各自通过偏振控制器一与偏振控制器二的两个发送端脉冲信号进行合束；
所述探测端检测单元包括两个探测器与两个分束器，即探测器一，探测器二以及分束器二与分束器三。
所述分束器二与分束器三组成非平衡Mach-Zehnder干涉仪，使得分成两束的脉冲光信号中经过长臂的一束弛豫了一个周期并与另一束脉冲光信号进行干涉。所述探测器一与探测器二用于检测干涉的两束光的相位是相同还是相差π。
在具体实施过程中，令Alice和Bob为发送端，Charlie为探测端。发送端用相位调制0为逻辑比特0，相位调制π为逻辑比特1；量子态探测端用干涉结果相位差为0对应逻辑比特0，用干涉结果相位差为π对应逻辑比特1。
本发明实施的量子秘密共享方案，具体步骤如下：
(1)、制备阶段：Alice与Bob各自发送相同偏振且平均光子数小于1的弱相干光脉冲，以1/2(1/2)的可能性在相位调制器处对脉冲光信号进行0(π)的相位编码。Bob到分束器一的光纤距离较长用于延时，两方的脉冲通过不安全的量子信道发给Charlie。
(2)、测量阶段：探测端根据干涉结果进行探测。如果探测器一和探测器二同时响应，则随机选择一个逻辑比特值(0或者1)；
调制阶段：探测端仅公布探测器响应的时刻，根据这些时刻Alice，Bob各自形成了未经后处理的用于秘密共享的原始密钥；
(3)、参数估计：Charlie首先根据Alice和Bob的发送数据量与自己的探测计数计算用于成码的量子态的增益，之后由Charlie随机选择若干个响应时刻，由Alice和Bob交替着将该时刻自身的逻辑比特通过公共信道发送给Charlie，Charlie根据特定时刻自身探测结果与Alice和Bob发送的逻辑比特计算系统错误率；
(4)、后处理阶段Alice，Bob和Charlie通过经典纠错，错误验证与隐私放大，Charlie提取出量子秘密共享的密钥，而Alice和Bob各自提取出用于量子秘密共享的密钥，如此Alice和Bob根据各自的密钥可以共享Charlie的密钥。
具体实施方式中，均采用如下参数：
表1
Figure GDA0002771327820000051
Figure GDA0002771327820000061
Pd为单光子探测器的暗计数率，ed为探测器本身的基矢校准错误率，μ为光强(实际上根据不同的距离可以调整光强，μ＝|α|2)，ηd为探测器探测效率，α为光纤衰减率，f为纠错效率。
实施例一：
三方分别为Alice，Bob和Charlie。其中Alice与Bob设备相同，但Alice到用于合束的分束器一的光纤距离较长，以此来延时。他们两个用连续激光器产生相位稳定时间上连续的脉冲光信号。经过相位调制器进行相位编码，相位调制0对应逻辑比特0，相位调制π对应逻辑比特1。两人均以2纳秒(ns)为周期发送量子态，Alice到分束器一的时刻较Bob信号弛豫T的时间，各自经过偏振控制器一与偏振控制器二调整为偏振方向相同的两束光脉冲后，经过分束器一合束，发送至探测端Charlie。
Charlie处分束器二与分束器三构成非平衡Mach-Zehnder干涉仪(两条光路之间也相差T的时间)用于探测，相位差为0时探测器一响应，对应逻辑比特0；相位差为π时探测器二响应，对应逻辑比特1，两个探测器同时响应时，Charlie随机选取一个逻辑比特。之后在调制阶段，Charlie先根据发送数据量与自己的探测计数计算用于成码的量子态的增益，再随机选择若干个相应时刻，通过Alice和Bob交替公布这些时刻各自用于测试的一段密钥，Charlie以此估算系统错误率与安全性风险。
以下为具体实施步骤：
(1)、制备阶段：Alice与Bob各自发送相同偏振且平均光子数小于1的弱相干光脉冲，以1/2(1/2)的可能性在相位调制器处对脉冲光信号进行0(π)的相位编码。Bob到分束器一的光纤距离较长用于延时，两方的脉冲通过不安全的量子信道发给Charlie。
(2)、测量阶段：探测端Charlie根据干涉测量结果进行记录。如果探测器一和探测器二同时响应，则随机选择一个逻辑比特值(0或者1)；
(3)、调制阶段：探测端仅公布探测器响应的时刻，根据这些时刻Alice，Bob各自形成了未经后处理的用于秘密共享的原始密钥；
(4)、参数估计：Charlie首先根据Alice和Bob的发送数据量与自己的探测计数计算用于成码的量子态的增益，之后由Charlie随机选择若干个响应时刻，由Alice和Bob交替着将该时刻自身的逻辑比特通过公共信道发送给Charlie，Charlie根据特定时刻自身探测结果与Alice和Bob发送的逻辑比特计算系统错误率；
(5)、后处理阶段Alice，Bob和Charlie通过经典纠错，错误验证与隐私放大，Charlie提取出量子秘密共享的密钥，而Alice和Bob各自提取出用于量子秘密共享的密钥，如此Alice和Bob根据各自的密钥可以共享Charlie的密钥。
实施例二：
实施例一中使用分束器一进行合束，只使用了一个端口的脉冲进行，浪费了一半可以用于成码的光子。
结合图2，与实施例一相比，本实施例在分束器一的另一个端口也加上一套和实施例一中探测端相同的检测单元。两套检测单元同时响应的概率很小，可以忽略。具体操作同实施例一。这样就有效利用了光子数，与实施例一相比效率提升近一倍。
实施例三：
实施例二中，使用设备过多，操作较为复杂，本实施例中将用于合束的分束器一替换成光开关。光开关使两束光脉冲合束到一根单模光纤中。
结合图3，Alice，Bob发送偏振方向相同的弱相干态，由于一个周期内，Alice与Bob发送的脉冲一前一后，因此当有光脉冲到达光开关处时，光开关会任其通过，从而使得两束光脉冲合束到一根单模光纤中。其余操作与实施例一相同，实施例三和实施例一与二相比成码率最高。
综上，根据实施例三的图像进行量子秘密共享，最终成码率根据以下公式计算：
RdpsQSS＝Qμ[-(1-μ*)log2(Pco)-fh(Eμ)]
其中，μ是协议进行时发送方A,B发送的脉冲的光强(平均光子数)；Eμ是系统的总错误率；Qμ是探测端Charlie两个探测器获得响应的概率即总增益；μ*＝2μ为窃听者通过窃听可以获取信息的概率；Pco为窃听者对不采用光子数分离攻击的光子施加纠缠态攻击时碰撞概率的最大值，其计算公式为：
Figure GDA0002771327820000071
其中，h(Eμ)为香农熵，表达式为h(x)＝-xlog2(x)-(1-x)log2(1-x)。
因此可以得到成码率图。在理想情况下，成码率如图4所示，分别将实施例一中的相位失调率2.0％分别改为4.0％与5.2％，并画出不同失调率情况下，秘密共享成码率与距离关系的图像。可以发现，相位失调率越高，传输距离越短，速率慢。相位失调率只需要低于5.2％，就可以打破线性界限。其中，线性约束为
Figure GDA0002771327820000081
ηb＝ηd*10-αL/10。具体可见参考文献：arXiv:1912.03645、arXiv:1912.010658和arXiv:1912.11355。
从图4可以看出，本系统成码率随距离的平方根线性衰减，令ηb＝ηd*10-αL/20，L为Alice与Bob间的传输距离。本方案与系统可以打破线性约束，可实现600km以上的传输距离。
综上所述，本发明提出的一种量子秘密共享方案与系统与现阶段的量子秘密共享方案与系统相比，发送端更为简便，更具实用化意义，且可以打破成码率-距离的限制，在理想条件下可以实现600km的传输。与同样基于差分相移目前最好的QSS方案相比，安全性更强，传输距离更远，有效推动了量子秘密共享的实用化进程。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于差分相移的量子秘密共享方法，其特征在于：用于量子秘密共享系统，系统包括参与秘密共享的多个发送端和持有密钥的一个可信探测端，所述方法在任意两个发送端和探测端间实施，两个发送端分别记为发送端一和发送端二，包括步骤：
制备阶段：发送端一和发送端二各自发出平均光子数小于1的弱相干光脉冲，通过量子信道到探测端，其中一个发送端的信号通过延迟线进行延时，延时时间为发送脉冲周期的一半；在制备阶段中，发送端一和发送端二均以1/2的概率对光脉冲信号进行相位为0和π的相位编码；在制备阶段中，发送端一和发送端二用相位调制0对应逻辑比特0，相位调制π对应逻辑比特1；
测量阶段：探测端包括接收单元以及一个以上的检测单元，接收单元包括对信号进行偏振方向调整的两个偏振控制器和用于合束的分束器，各检测单元包括对接收到的信号进行干涉处理的干涉器和根据干涉结果进行探测响应的一对探测器；发送端一和发送端二发送的弱相干光脉冲经过偏振控制器调整后偏振方向相同，经过合束设备后传输到检测单元；在测量阶段中，探测器判断经过干涉的两束光的相位是相同还是相差π，用逻辑比特0的干涉结果对应逻辑比特0，相位差为π的干涉结果对应逻辑比特1；如果探测器一和探测器二同时响应，等概率随机选择逻辑比特0或者1对应干涉结果，形成原始密钥；
调制阶段：探测端仅公布各探测器响应的时刻，根据响应时刻发送端一和发送端二各自形成用于秘密共享的原始密钥；
参数估计：探测端首先根据发送端的发送数据量与自己的探测计数计算用于成码的量子态的增益，之后选取预设数量的原始密钥用于计算系统错误率，具体由探测端随机选择至少一个响应时刻，由发送端一和发送端二交替着将对应所选响应时刻自身的逻辑比特值通过公共信道发送给探测端，探测端根据所选响应时刻自身的探测结果与发送端一和发送端二发送的逻辑比特值计算系统错误率，并判断是否满足预设要求；
后处理阶段：发送端与探测端对剩余的原始密钥进行经典纠错、错误验证和隐私放大处理，发送端一和发送端二各自提取出能够抵御独立攻击的用于量子秘密共享的密钥，实现了对探测端处提取的密钥的共享。
2.根据权利要求1所述的一种基于差分相移的量子秘密共享方法，其特征在于，在制备阶段中，还包括准备阶段：在探测端设置分别对应发送端一和发送端二的两个偏振控制器，分别调整各个偏振控制器使得通过偏振控制器的光脉冲偏振方向相同，调整之后固定偏振控制器。
3.根据权利要求1所述的一种基于差分相移的量子秘密共享方法，其特征在于，所述测量阶段中，检测单元的干涉器由一对分束器组成，对接收到的信号进行分束处理得到两束光脉冲，然后将其中一束光脉冲弛豫预设时间后再与另一束光脉冲通过分束器进行干涉，弛豫预设时间为发送脉冲周期的一半。
4.一种基于差分相移的量子秘密共享系统，用于执行如权利要求1-3任一所述的方法，其特征在于：包括通过量子信道连接的发送端一、发送端二和探测端，探测端包括接收单元以及连接接收单元输出端的一个以上的检测单元；
所述接收单元包括偏振控制器一、偏振控制器二和分束设备，发送端一和发送端二的输出端分别通过偏振控制器一、偏振控制器二连接到分束设备，分束设备用于将两个发送端输出的信号进行合束后发送给检测单元；
各检测单元包括构成干涉器的分束器二和分束器三、构成探测器的探测器一和探测器二，分束器二用于将分束设备发送的信号分为两束信号，且分别通过不同长度的路径弛豫预设时间后发送到分束器三，由分束器三对接收到的两束信号进行干涉，干涉后再次分成两束信号且发送给探测器一和探测器二。
5.根据权利要求4所述的一种基于差分相移的量子秘密共享系统，其特征在于：所述分束设备采用分束器或光开关。
6.根据权利要求4所述的一种基于差分相移的量子秘密共享系统，其特征在于：所述发送端一和发送端二均包括顺序连接的连续激光器、相位调制器和信号衰减器；
所述连续激光器产生相位稳定且在时间上连续的光信号；
所述相位调制器用于对通过的光信号进行相位编码，得到光脉冲信号；
所述信号衰减器，用于将相位调制器输出的光脉冲信号进行弱光调制，衰减至低于单光子量级后再输出至探测端。
7.根据权利要求4所述的一种基于差分相移的量子秘密共享系统，其特征在于：所述分束器二与分束器三组成非平衡Mach-Zehnder干涉仪。
8.根据权利要求4所述的一种基于差分相移的量子秘密共享系统，其特征在于：所述发送端二到分束设备的光纤距离大于发送端一到分束设备的光纤距离。
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