CN112332983A - 一种混合离散变量和连续变量的量子密钥分发方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种混合离散变量和连续变量的量子密钥分发方法，包括：通信方A和通信方B对信号进行编码使其具有CV和DV特性；通信方A和通信方B将编码后的信号光子发送给第三方C；第三方C采用对应的接收器接收相应的光子；第三方C根据接收光子时的光子的时间得到光子态测量结果；通信方A和通信方B根据第三方C得到的量子测量结果得到初始密钥；通信方A和通信方B计算初始密码的误码率，若误码率符合条件则对密钥进行纠错得到最终的密钥，本发明克服离散变量和连续变量量子密钥分发协议的局限性，在成码率和可达到的传输距离方面均明显优于先前引入的DV‑QKD协议，信息纠错效率高于基于高斯调制的CV‑QKD。采用MDI模型使协议不受所有对检测器的攻击。
Description
技术领域
本发明属于量子保密通信技术领域，尤其涉及一种混合离散变量和连续变量的量子密钥分发方法。
背景技术
量子密钥分发，是利用量子力学特性来保证通信安全性，使通信的双方能够产生并分享一个随机的、安全的密钥，来加密和解密消息。离散变量量子密钥分发(discretevariable quantum key distribution，DV-QKD)利用量子态不可克隆定理和非正交量子态不可区分性来实现密钥分发的无条件安全性。DV-QKD通常采用极化状态(polarizationstates)、时区编码(time-bin encoding)、相位编码(phase encoding)和光子轨道角动量(orbital angular momentum，OAM)等模式。但是，极化通过光纤和长距离自由空间光链路传输量子信息的脆弱来源。时区编码和相位编码在频谱上非常低效。而OAM模式对大气湍流效应高度敏感。
连续变量量子密钥分发(continuous variable quantum key distribution，CV-QKD)采用不确定性原理(相干态的同相位分量(in-phase components)和正交分量(quadrature components)不能同时进行完全精确的测量)来确保密钥的安全传输。CV-QKD方案可分为两大类：基于离散调制(DM)的CV-QKD方案和基于高斯调制(GM)的CV-QKD。基于GM的CV-QKD信息协调(纠错)效率非常低。而基于DM的CV-QKD具有出色的协调效率，同时与用于光纤通信的商用设备兼容。但基于DM的CV-QKD针对集体和相干攻击的严格的安全性证明仍是未知。
发明内容
本发明的目的在于提供一种继电保护仿真方法，能够清楚展示电网的运行状态。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
提供了一种混合离散变量和连续变量的量子密钥分发方法，包括：
通信方A和通信方B对信号进行编码使其具有CV和DV特性；
通信方A和通信方B将编码后的信号光子发送给第三方C；
第三方C采用对应的接收器接收相应的光子；
第三方C根据接收光子时的光子的时间得到光子态测量结果；
通信方A和通信方B根据第三方C得到的量子测量结果得到初始密钥；
通信方A和通信方B计算初始密码的误码率，若误码率符合条件则对密钥进行纠错得到最终的密钥。
进一步的，所述通信方A和通信方B对信号进行编码使其具有CV和DV特性具体为：通信方A和通信方B分别随机生成M个相干态，再分别生成连续波，通过连续波生成RF子载波，然后将各自生成的相干态放置在N个RF子载波脉冲位置中的至少一个位置。
进一步的，所述第三方C采用对应的接收器接收相应的光子具体为：
通信方C接收到通信方A和通信方B的光子后，根据单光子检测器的停滞时间来优化光学空间开关，然后通过光学空间开关来选择DV-QKD接收器或CV-QKD接收器。
进一步的，所述第三方C根据接收光子时的光子的时间得到光子态测量结果具体为：
在第三方C的DV-QKD接收器中，光子信号经过偏振分束器后，第三方C根据时间基对单光子信号执行测量，在第三方C的CV-QKD接收器中，第三方C对经过平衡分束器干扰后的光子信号执行测量。
进一步的，所述通信方A和通信方B根据第三方C得到的量子测量结果得到初始密钥具体为：
通信方A和通信方B根据第三方得的测量结果保留信号光子的光子态在同一基下的比特数，丢弃其他数据得到初始密钥。
进一步的，通信方A和通信方B采用数模转换器和电光I/Q调制器生成相干态，电光I/Q调制器采用双极化模式。
进一步的，如果第三方C同一时间接收到的来自通信方A和通信方B的信号类型不一致，则丢弃该信号。
有益技术效果：本发明克服离散变量和连续变量量子密钥分发协议的局限性，在成码率和可达到的传输距离方面均明显优于先前引入的DV-QKD协议，信息协调(纠错)效率高于基于高斯调制的CV-QKD。采用MDI模型使协议不受所有对检测器的攻击。
附图说明
图1为本发明的系统框架图；
图2为本发明中N＝2的时相编码中使用的时基状态(左)和相基状态(右)示意图；
图3为本发明中用于时间相位编码的DV-QKD接收器的配置示意图；
图4为本发明中RF辅助CV-QKD接收器的配置示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-4所示，提供了一种混合离散变量和连续变量的MDI量子密钥分发方法，包括以下步骤：
步骤一、通信方A和通信方B对信号进行编码使其具有CV和DV特性，具体为：
Alice(通信方A)和Bob(通信方B)借助数模转换器(DAC)和电光I/Q调制器分别随机生成M个相干态|αk＞(k＝0,1,...,M-1)M个相干态包括正交幅度调制(QAM)信号(即连续变量信号)和时间相位编码(TPE)信号(即离散变量信号)。再由光纤激光器生成连续波(CW)，接着使用任意波形发生器(AWG)产生的RF子载波。将相干态放置在N个RF子载波脉冲位置中的至少一个位置。
为了解决DV-QKD子系统的光子数分裂(PNS)攻击，可采用基于诱骗态的方法。由于星型QAM(正交幅度调制)方案能根据DV-QKD子系统的信号和诱骗态使用优化的圆半径，所以这个方案更适合此系统。在CV-QKD调制器中，Alice和Bob将随机选择圆(或DV-QKD子系统的等效信号/诱骗态)，然后从该圆中随机选择要使用的星座点。Alice和Bob将这种选择的信号星座点与RF子载波相乘。当DV-QKD子系统采用时相编码时，Alice和Bob将在信号持续时间T内或处于叠加状态下，通过在随机选择的持续时2间τ＝T/N的时隙内发送生成的信号。
BB84协议的时间相位编码基态(N＝2)。如图二所示，将时基定义为{|0＞,|1＞}，相基定义为{|+＞,|-＞}，脉冲位于持续时间τ＝T/2的时间范围内。时基类似于脉冲位置调制(pulse-position modulation,PPM)。将CV调制的光子初态表示为|0＞＝|e＞，而将光子末态表示为|1＞＝|l＞，并将相基定义为
Alice随机选择时基或相基，然后随机选择基态。对于DV-QKD子系统，逻辑0由|0＞、|+＞表示；而逻辑1由|1＞、|-＞表示。任意波形发生器(arbitrary waveform generator,AWG)生成相应的RF波形。
这种编码的混合DV-CV量子态原则上每个光子可以承载N×log2M位。
当采用两种极化状态时，借助于双极化I/Q调制器，每个发射脉冲的位数可以加倍。
对于混合QKD系统，信道以QBER和透射率T为特征。对于CV-QKD子系统，信道也以多余噪声ε为特征，因此总信道增加的噪声称为通道输入可以用散粒噪声单位表示，χline＝1/T-1+ε。
步骤二、Alice和Bob都将编码后的信号光子发送给Charlie(第三方C)。
步骤三、第三方C采用对应的接收器接收相应的光子；
Charlie接收到信号光子后，根据单光子检测器的停滞时间，来优化1*2的光学空间开关(OSS)，接着将这个1*2的光学空间开关用来选择DV-QKD接收器或CV-QKD接收器。
对于N＝2的时相编码，DV-QKD接收器将由延迟干涉仪(DI)和两个检测效率为ηd的单光子检测器(SPD)组成。
对于CV-QKD接收机，Charlie可以执行零差或外差检测，检测器的特征在于检测器效率η和电噪声方差vel。
假设以Charlie的输入(通道输出)为基准的零差/外差检测添加的噪声方差表示为χh。对于零差检测，有χh＝[(1-η)+vel]/η。另一方面，对于外差检测，有χh＝[1+(1-η)+2vel]/η。以通道输入为参考的CV-QKD子系统的总噪声方差可以表示为χtotal＝χline+χh/T，T为透射率。
如图三所示，该时延干涉仪由输入端口的Y结和光学π杂波(π-hybrid)组成，由散射矩阵
表示，在输出端口处。两条臂之间的路径之差为ΔL＝cτ(c是光速)。当相位状态|+＞入射到时间相位解码器时，π混合信号的输出占据三个时隙，并且在较高的光学混合输出分支中的干涉仪信号相长干涉，而在较低的输出则干涉。相应的信号具有破坏性。对于相长干涉，中间脉冲加倍，而对于相消干涉，中间脉冲彼此抵消。因此，在上部输出的中间插槽中的SPD表示|+＞，而在下部输出的相应表示|-＞。
如图四所示，基于外差相干检测，并采用了相位噪声补偿(PNC)模块，从而可以降低多余噪声的水平。PNC模块首先对发生外差检测后获得的同相和正交信号求平方，然后将其相减或相加，具体取决于光学混合类型的具体实现方式。然后，PNC模块执行带通滤波(band pass filter,BPF)，以去除不需要的双频和直流分量。之后，执行下转换，通常由两个乘法器和低通滤波器(lowpass filter,LPF)来实现。鉴于PNC模块能够消除频率偏移波动以及激光相位噪声，与更传统的基于DM的CV-QKD方案相比，它能够减少过多的噪声。当然，传统的基于DM的CV-QKD方案(例如所谓的分布式相位参考协议)也可以用于CV-QKD子系统。选择RF辅助的CV-QKD系统是因为它不需要参考，因此它解决了分布式参考协议的潜在安全漏洞问题。提供CV-QKD接收器是为了确保演示的完整性。
步骤四、第三方C根据接收光子时的光子的时间得到光子态测量结果；
Charlie根据接收器接收时间宣布对应量子位的测量结果。在DV-QKD接收器中，Charlie根据时间基(类似于脉冲位置调制(PPM))对对应经过偏振分束器(PBS)单光子信号执行相应测量。在CV-QKD接收器中，Charlie对经过平衡分束器(BS)干扰的的输入信号执行测量。接收器如果同一时间接收信号类型不一致，则丢弃该信号。BS的两个输出模式由两个零差检测器测量。
步骤五、Alice和Bob根据Charlie发布的测量结果保光子的光子态在基一致下的比特数据，并丢弃其他数据。于是获取了筛选后的密钥。
步骤六、得到筛选密钥后，通信双方随机比较部分值，并计算误码率。若QBER(量子比特误码率)满足条件，对筛选后的结果进行纠错和安全性增强，以及隐私放大就可以得到安全密钥。而混合QKD方案相应的密钥率(SKR)可以计算为：
其中，
和
是窃听者能够在DV-QKD(CV-QKD)子系统上获取的信息，
是Alice和Bob之间与DV-QKD(CV-QKD)子系统相关的原始数据速率。在整体QBER为q的假设下，我们使用leakageECC(q)表示由于纠错编码(ECC)导致的信息泄漏。
我们的混合DV-CV QKD(离散变量和连续变量混合的量子密钥分发简称)协议提案背后的关键思想是采用DV-QKD子系统，以实现基于离散调制(DM)的CV-QKD子系统的无条件安全性。鉴于CV-QKD子系统比DV-QKD子系统的成码率(secret-key rate，SKR)高几个数量级，因此DV-QKD子系统不需要在频谱上高效，而可以与相应的CV-QKD子系统兼容。因此，我们将时间相位编码用于DV-QKD子系统，以便在CV-QKD子系统中都可以使用两种偏振态。
为了克服DV-QKD传输距离较短和成码率值较低的缺点，以及基于DM的CV-QKD不存在严格的安全证明，我们采用混合DV-CV QKD方案来解决这些问题。在我们提出的混合QKD协议中，在发射机端同时对CV-QKD子系统执行基于DM的编码和对DV-QKD进行时相编码。在接收器端，采用了1*2的光学空间开关来选择具有最佳选择概率的DV-QKD接收器或CV-QKD接收器，这取决于单光子检测器停滞时间。
在大多数与测量设备无关量子密钥分发协议(MDI-QKD)中，Alice和Bob都是合法发送者，他们将其量子状态发送给名为Charlie的不受信任的第三方，该第三方执行测量，然后将结果传送以建立安全密钥。由于检测是由不受信任的第三方执行的，因此与检测器有关的量子攻击将自然被消除。
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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种混合离散变量和连续变量的量子密钥分发方法，其特征在于，包括：
通信方A和通信方B对信号进行编码使其具有CV和DV特性；
通信方A和通信方B将编码后的信号光子发送给第三方C；
第三方C采用对应的接收器接收相应的光子；
第三方C根据接收光子时的光子的时间得到光子态测量结果；
通信方A和通信方B根据第三方C得到的量子测量结果得到初始密钥；
通信方A和通信方B计算初始密码的误码率，若误码率符合条件则对密钥进行纠错得到最终的密钥。
2.根据权利要求1所述的混合离散变量和连续变量的量子密钥分发方法，其特征在于：所述通信方A和通信方B对信号进行编码使其具有CV和DV特性具体为：通信方A和通信方B分别随机生成M个相干态，再分别生成连续波，通过连续波生成RF子载波，然后将各自生成的相干态放置在N个RF子载波脉冲位置中的至少一个位置。
3.根据权利要求1所述的混合离散变量和连续变量的量子密钥分发方法，其特征在于：所述第三方C采用对应的接收器接收相应的光子具体为：
通信方C接收到通信方A和通信方B的光子后，根据单光子检测器的停滞时间来优化光学空间开关，然后通过光学空间开关来选择DV-QKD接收器或CV-QKD接收器。
4.根据权利要求1所述的混合离散变量和连续变量的量子密钥分发方法，其特征在于：所述第三方C根据接收光子时的光子的时间得到光子态测量结果具体为：
在第三方C的DV-QKD接收器中，光子信号经过偏振分束器后，第三方C根据时间基对单光子信号执行测量，在第三方C的CV-QKD接收器中，第三方C对经过平衡分束器干扰后的光子信号执行测量。
5.根据权利要求1所述的混合离散变量和连续变量的量子密钥分发方法，其特征在于：所述通信方A和通信方B根据第三方C得到的量子测量结果得到初始密钥具体为：
通信方A和通信方B根据第三方得的测量结果保留信号光子的光子态在同一基下的比特数，丢弃其他数据得到初始密钥。
6.根据权利要求1所述的混合离散变量和连续变量的量子密钥分发方法，其特征在于：通信方A和通信方B采用数模转换器和电光I/Q调制器生成相干态，电光I/Q调制器采用双极化模式。
7.根据权利要求1所述的混合离散变量和连续变量的量子密钥分发方法，其特征在于：如果第三方C同一时间接收到的来自通信方A和通信方B的信号类型不一致，则丢弃该信号。
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