CN112511302B - Qkd系统的基矢比对网络数据压缩传输方法及装置 - Google Patents

Qkd系统的基矢比对网络数据压缩传输方法及装置 Download PDF

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Abstract

本申请提供的一种QKD系统的基矢比对网络数据压缩传输方法及装置，其中压缩方法包括：获取当前QKD系统的探测概率q；根据
Figure 964504DEST_PATH_IMAGE002
，使
Figure DEST_PATH_IMAGE003
值最小时所得的n值即为编码段长；获取每组探测事件的位置信息和基矢信息；将每组探测事件的位置信息以编码段长作为码元长度进行游程编码；将每组游程编码的最后一位数据后再额外添加一位数据作为基矢信息的标识，得到压缩后的基矢比对网络数据。因此，本申请的压缩方法充分得考虑各个定长的码元出现概率不同，有效降低编码后的长度，从而实现高效的压缩基矢比对网络数据。

Description

QKD系统的基矢比对网络数据压缩传输方法及装置
技术领域
本申请涉及量子通信技术领域，具体涉及一种QKD系统的基矢比对网络数据压缩传输方法及装置。
背景技术
随着历史的发展，量子力学与信息学相结合诞生的量子信息学可以高效得完成经典信息学无法完成的任务，例如量子计算机可以进行内禀的并行计算，其潜在计算能力远远超过目前的经典计算机，Shor量子算法可以破解当前广泛使用的RSA密钥；1984年Bennett等人提出量子密钥分发方案，可以实现信息论安全的密钥分发。在经历了将近三十年的发展，量子密钥分发（quantum key distribution，QKD）目前相关技术逐渐发展成熟，并且已经由理论分析阶段、实验室试验阶段进入了工程化实现阶段。
QKD系统的经典网络数据交互单元是QKD系统不可或缺的重要组成部分，QKD系统协商网络带宽BW中主要包括：
基矢比对部分网络数据BWSift；
纠错部分网络数据BWEC；
保密增强部分网络数据BWPA；
其他网络数据BWOther，主要包含了QKD控制命令、QKD状态信息共享数据、协商网络延时监测等，这部分数据量为非常小的固定值，不会随着量子信道衰减变化而变化；
因此BW=BWSift+BWEC+BWPA+BWOther。
经严格分析计算，其中BWSift占QKD系统协商网络带宽95%以上，对基矢比对部分网络数据进行必要的数据压缩编码，可以极大得降低QKD系统的网络带宽需求，提升QKD系统的网络适应性，同时对该部分网络数据进行编码压缩可以有助于降低其认证密钥的消耗量，从而可以进一步提升QKD系统的成码率指标。
基矢比对模块的网络数据分为两类网络交互数据，其中一类数据为接收端（Bob）至发送端（Alice）的网络交互数据，该数据中包含了位置信息和基矢信息。由于量子信道的衰减及单光子探测器有效探测效率等相关因素，实际系统中有效探测概率不会很高，因此从信息论的角度来看，信息的冗余度较高，信息熵远小于1，具有较高压缩的空间。
发明内容
本申请提供一种QKD系统的基矢比对网络数据压缩传输方法及装置，以解决现有的压缩方法没有考虑量子信道的衰减及单光子探测器有效探测效率等相关因素，基矢比对网络数据仍然具有进一步压缩的问题。
本申请第一方面提供一种QKD系统的基矢比对网络数据压缩方法，该方法应用于接收端，具体步骤包括：
获取当前QKD系统的探测概率q ；
根据
Figure 870341DEST_PATH_IMAGE002
，其中
Figure 619991DEST_PATH_IMAGE004
，使
Figure 620308DEST_PATH_IMAGE006
值最小时所得的n值即为编 码段长；
获取每组探测事件的位置信息和基矢信息；
将每组探测事件的位置信息以编码段长作为码元长度进行游程编码；
将每组游程编码的最后一位数据后再额外添加一位数据作为基矢信息的标识，得到压缩后的基矢比对网络数据。
优选地，所述将每组探测事件的位置信息以编码段长作为码元长度进行游程编码包括：
获取无探测事件的窗口时间，该窗口时间包括单光子探测器的死时间和预设的无探测时间；
将每组探测事件的位置信息扣除窗口时间对应位置偏移后，得到每组探测事件新的位置信息；
将每组探测事件的新的位置信息根据编码段长进行游程编码。
优选地，所述将每组探测事件的位置信息以编码段长作为码元长度进行游程编码还包括：
若QKD系统中有设备启动或者在执行校准过程时，将第一组探测事件的位置信息采用绝对位置编码；
将第二组及之后的探测事件的位置信息以编码段长作为码元长度进行游程编码。
优选地，所述根据编码段长对基矢比对网络数据进行游程编码之后还包括：
将输出压缩后的基矢比对网络数据根据霍夫曼编码进行编码。
优选地，该方法还包括：
实时监测当前的探测概率；
根据实时监测当前的探测概率计算新的编码段长
Figure 71887DEST_PATH_IMAGE008
；
如果
Figure 245379DEST_PATH_IMAGE009
与之前得到编码段长不同，则发送编码格式变更的告知信息，并将编码 段长改为
Figure 459323DEST_PATH_IMAGE010
。
优选地，该方法还包括：
若编码段长不为8的整数倍，则将压缩后的基矢比对网络数据横向拼接或者竖向拼接进行数据重排，使得重排后的数据每行字符数为8。
本申请第二方面提供一种QKD系统的基矢比对网络数据的压缩装置，该装置应用于接收端，具体结构包括：
探测概率获取模块，用于获取当前QKD系统的探测概率q；
段长计算模块，用于根据
Figure 20754DEST_PATH_IMAGE011
，其中
Figure 585728DEST_PATH_IMAGE012
，使
Figure 562911DEST_PATH_IMAGE013
值最小 时所得的n值即为编码段长；
探测事件获取模块，用于获取每组探测事件的位置信息和基矢信息；
位置信息编码模块，用于将每组探测事件的位置信息以编码段长作为码元长度进行游程编码；
基矢信息编码模块，用于将每组游程编码的最后一位数据后再额外添加一位数据作为基矢信息的标识，得到压缩后的基矢比对网络数据。
优选地，位置信息编码模块包括：
窗口时间获取单元，用于获取无探测事件的窗口时间，该窗口时间包括单光子探测器的死时间和预设的无探测时间；
位置信息处理单元，用于将每组探测事件的位置信息扣除窗口时间对应位置偏移后，得到每组探测事件新的位置信息；
位置信息编码单元，用于将每组探测事件的位置信息以编码段长作为码元长度进行游程编码。
优选地，所述压缩装置还包括霍夫曼编码模块：
霍夫曼编码模块，用于将输出压缩后的基矢比对网络数据根据霍夫曼编码进行编码。
本申请第三方面提供一种QKD系统的基矢比对网络数据压缩方法，该方法应用于发射端，具体步骤包括：
将发射基矢信息一致的网络数据合并，得到X基矢网络数据、Z基矢网络数据和真空态网络数据；
将X基矢网络数据根据测量基矢选择和抽样，合并为第一抽样基矢网络数据和第二抽样基矢网络数据；
获取接收端的测量基矢选择概率，并根据基矢发射选择概率、抽样选择概率和测量基矢选择概率得到第一抽样基矢网络数据、第二抽样基矢网络数据、Z基矢网络数据和真空态网络数据的概率；
根据第一抽样基矢网络数据和第二抽样基矢网络数据、Z基矢网络数据和真空态网络数据的概率利用霍夫曼编码进行网络数据编码，得到压缩后的基矢比对网络数据。
本申请第四方面提供一种QKD系统的基矢比对网络数据压缩方法，该方法应用于发射端，具体步骤包括：
将探测基矢信息一致的网络数据合并，得到基矢一致的网络数据、基矢不一致的网络数据和真空态网络数据，其中发射端发送的基矢和接收端采用的测量基矢相同称为基矢一致，否则为不一致；
将基矢一致的网络数据中抽样“bit0”的数据合并为第一抽样基矢网络数据；将基矢一致的网络数据中抽样“bit1”的数据合并为第二抽样基矢网络数据，剩余的网络数据合并为Z基矢网络数据；
获取接收端的测量基矢选择概率，并根据基矢发射选择概率、抽样选择概率和测量基矢选择概率得到第一抽样基矢网络数据、第二抽样基矢网络数据、Z基矢网络数据、基矢不一致的网络数据和真空态网络数据的概率；
根据第一抽样基矢网络数据、第二抽样基矢网络数据、Z基矢网络数据、基矢不一致的网络数据和真空态网络数据的概率利用霍夫曼编码进行网络数据编码，得到压缩后的基矢比对网络数据。
本申请第五方面提供一种QKD系统的基矢比对网络数据的传输方法，该方法包括：
接收端采用上述任意一项所述的应用于接收端的压缩方法将基矢比对网络数据压缩后发送至发射端；
发射端采用上述任意一项所述的应用于发射端的压缩方法将基矢比对网络数据压缩后发送至接收端。
本申请提供的一种QKD系统的基矢比对网络数据压缩传输方法及装置，与现有技术相比有以下优点：
1.本申请的压缩方法根据QKD系统量子信道的衰减及单光子探测器有效探测效率相 关因素，计算得到最优的编码段长n，充分得考虑各个定长的编码元出现概率不同，有效降低编码后的长度，从而实现高效的压缩基矢比对网络数据。
2. 本申请的压缩方法考虑到探测器的死时间效应，在死时间内QKD系统一定不会发生探测事件，因此将基矢比对网络数据中的每组位置信息均扣除死时间后，然后再通过最优的编码段长进行编码，因此进一步的对基矢比对网络数据进行了压缩。
3. 本申请的压缩方法充分考虑QKD系统在设备启动、校准过程中网络数据交互情况，将第一组探测事件直接采用绝对位置编码，从而避免了编码过长的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请的一种应用于接收端的基矢比对网络数据的压缩方法的流程示意图；
图2为本申请的一种网络数据重排的示意图；
图3为本申请的另一种网络数据重排的示意图；
图4为本申请一种应用于接收端的基矢比对网络数据的压缩装置的结构示意图；
图5为本申请的一种应用于发射端的基矢比对网络数据的压缩方法的流程示意图；
图6为本申请的另一种应用于发射端的基矢比对网络数据的压缩方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。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，都属于本发明的保护范围。
本申请第一方面提供一种QKD系统的基矢比对网络数据压缩方法，其流程示意图可参阅图1所示的示意图，该方法本申请以BB84协议为例，其余协议（如B92协议等）或其他量子态（如三态、四态和六态等）原理类似，本申请不在赘述。
具体的，该方法包括：获取当前QKD系统的探测概率q，探测概率q可以通过结合统 计信息和探测器死时间参数
Figure 37886DEST_PATH_IMAGE015
共同得到，具体方式如下：
统计1秒内的探测计数m，若探测器死时间参数设置
Figure 380006DEST_PATH_IMAGE015
，系统重复频率为
Figure 963434DEST_PATH_IMAGE017
为那么探测概率q为
Figure 72204DEST_PATH_IMAGE019
。
根据
Figure 260740DEST_PATH_IMAGE020
，其中
Figure 427890DEST_PATH_IMAGE021
，使
Figure 498614DEST_PATH_IMAGE022
值最小时所得的n值即为编 码段长。对于BB84协议，接收端Bob采用一个二维希尔伯特空间下两组互为共轭的标准正交 基（即X基和Z基）进行测量，选择Z基进行测量的概率为
Figure 20862DEST_PATH_IMAGE024
，选择X基进行测量的概率为
Figure 188538DEST_PATH_IMAGE026
， 上述参数满足如下约束：
Figure 138040DEST_PATH_IMAGE028
当X或Z基矢探测器的探测效率q一致时，由于基矢选择与探测器触发为独立事件， 当Z基矢选择概率为
Figure 961639DEST_PATH_IMAGE029
时，某时刻发射端Alice发出X或Z信号并触发接收端Bob任意探测器 到的概率则为
Figure 631786DEST_PATH_IMAGE031
，依据探测效率q的定义，当上述字符序列无限长时，其中 “Z”、“X”字符出现的概率总和为q，“O”字符出现的概率则为(1-q)。当不考虑探测器死时间 的情况下，不同位置字符间相互独立，则字符集
Figure 60494DEST_PATH_IMAGE033
（d表示“Z”或“X”）出现的概率则 为
Figure 977634DEST_PATH_IMAGE035
。
同时为了区分“Z”、“X”，当符号集以“Z”结尾时，编码的最低位固定为1，当符号集以“X”结尾时，编码的最低位固定为0，发射端按照该规则逆向解码即可获取基矢信息，其编码对应关系下表：
Figure 350847DEST_PATH_IMAGE037
由此编码方式可知任意一个有效的探测事件都可表示为如下的编码形式，其中j= 0，1，…+∞；k=0或1；i=0，1…
Figure 949318DEST_PATH_IMAGE039
。对应的编码长度为
Figure 606433DEST_PATH_IMAGE041
bits，即任意一个X 基矢的探测事件可表示为
Figure 694475DEST_PATH_IMAGE043
，任意一个Z基矢的探测事件可表示为
Figure 430350DEST_PATH_IMAGE045
。
由此可知在无限次有效探测事件发生后，采用上述编码方式编码后消息平均码长可通过下式计算：
Figure 957146DEST_PATH_IMAGE047
对上述公式求导，使得
Figure 94866DEST_PATH_IMAGE048
的倒数值最小，可以得到最优的编码长度n。当QKD应 用场景确定后，q一般相对固定，若应用场景变化或者q发生较大变化，可按照上述公式通过 调整编码码字长度n以使上述编码后消息平均码长达到最小，已达到最佳的压缩性能。
获取每组探测事件的位置信息和基矢信息；将每组探测事件的位置信息以编码段 长作为码元长度进行游程编码，将每组游程编码的最后一位数据后再额外添加一位数据作 为基矢信息的标识，得到压缩后的基矢比对网络数据。具体说明如下：每组探测事件包括位 置信息和基矢信息，其中可以根据QKD系统的结构或者采用的协议使用额外1或2个bite表 征基矢信息，例如采用4种量子态（如Z基矢和X基矢），则可定义1表示使用Z基矢编解码，0表 示使用X基矢编解码，若采用6种量子态（如Z基矢、X基矢和Y基矢），则定义00表示使用X基矢 编解码，01表示使用Z基矢编解码，10表示使用Y基矢编解码。本申请以4种量子态为例说明： 假设最优编码段长n为1000，第一次探测事件发生在第1300个位置，则前1000个未发生探测 事件的位置以1000为单位表征，即可以通过编码表达为1个1000，然后通过再编码299个未 发生探测事件的位置；第二次探测事件发生在第4500个位置，则1300至4500之间有3200个 位置，则前3000个未发生探测事件的位置以1000为单位表征，即可以通过编码表达为3个 1000，然后再编码199个未发生探测事件的位置，以此类推不在赘述。因此具体表达式可以 如下：对于第
Figure 432438DEST_PATH_IMAGE050
次（其中
Figure 452347DEST_PATH_IMAGE052
）探测事件，采用上述编码方案，第
Figure 986096DEST_PATH_IMAGE053
次的位置信息为
Figure 355154DEST_PATH_IMAGE054
，第
Figure 722681DEST_PATH_IMAGE050
次的位置信息为
Figure 557782DEST_PATH_IMAGE056
，那么第
Figure 567327DEST_PATH_IMAGE058
次之间位置间隔
Figure 210797DEST_PATH_IMAGE060
计算如下：
Figure 155751DEST_PATH_IMAGE061
编码方式如下：
Figure 87935DEST_PATH_IMAGE063
其中
Figure 25804DEST_PATH_IMAGE065
，
因此本申请的压缩方法根据QKD系统量子信道的衰减及单光子探测器有效探测效率关因素，计算得到最优的编码段长n，因而连续n个位置未发生探测事件的概率最高，将出现未发生探测事件最高概率的段长作为编码段长，这一方案充分得考虑各个定长的编码元出现概率不同，能够有效降低编码后的长度，从而实现高效的压缩基矢比对网络数据。另外本申请将未发生探测事件最高概率的段长作为编码段长，可以实时对基矢比对网络数据进行压缩，对缓存的要求较低。
另外，所述将每组探测事件的位置信息以编码段长作为码元长度进行游程编码包括：获取无探测事件的窗口时间，该窗口时间包括单光子探测器的死时间和预设的无探测时间；将每组探测事件的位置信息扣除窗口时间对应位置偏移后，得到每组探测事件新的位置信息；将每组探测事件的新的位置信息根据编码段长进行游程编码。具体说明如下：
实际QKD系统中，为了抵御探测器死时间攻击，通常采用如下策略进行抵御：当某 一单光子探测器发生一次探测事件后，保证所有探测器通道均同时进入死时间状态并同时 从死时间状态恢复。因此当单光子探测器发生一次探测事件时，则需要等待一定的时间才 能重新进入工作状态，即当单光子进入到死时间状态时，既使有光子到达单光子探测器也 不会产生探测事件。除此之外窗口时间还包括预设的无探测时间，例如QKD系统为例降低同 步光对量子光的干扰，通常在发送量子光时，每隔固定的时间发送一段为空脉冲的量子光， 该时间通常为20-40ns，在该时间内由于量子光无脉冲，因此单光子探测器也不会产生探测 事件（即使因为单光子探测器暗计数或后脉冲引起探测事件，也会舍弃该段探测事件）。因 此两次探测事件之间的无探测事件的时长至少为一个死时间加上预设的无探测时间。若死 时间状态为
Figure 461464DEST_PATH_IMAGE066
个时刻，预设的无探测时间为
Figure 75854DEST_PATH_IMAGE068
，则表示每个有效探测事件的游程均至 少大于
Figure 292072DEST_PATH_IMAGE070
，因此可将每个有效探测事件的零游程在编码前统一减去
Figure 643419DEST_PATH_IMAGE066
和
Figure 589378DEST_PATH_IMAGE068
，从 而实现了进一步压缩基矢比对的网络数据。
除此之外，QKD系统在设备启动时，或者在执行校准过程时，将第一组探测事件的位置信息采用绝对位置编码，直接输出原始信息，将第二组及之后的探测事件的位置信息根据编码段长进行编码。例如，发射端直接告知接收端从第几个位置开始探测，因而不会受到设备启动时，或者在执行校准过程的影响。
根据探测概率q上述根据编码段长将基矢比对网络数据进行编码之后还包括：将输出压缩后的基矢比对网络数据根据霍夫曼编码进行编码。还可通过下列公式计算上述各种码元的概率。依照概率定义可知，当上述编码事件样本量趋于无限大时，其中各码元出现的概率可通过其出现频次计算如下：
Figure 735189DEST_PATH_IMAGE072
Figure 517331DEST_PATH_IMAGE074
Figure 672369DEST_PATH_IMAGE076
Figure 472835DEST_PATH_IMAGE078
因此可根据概率将输出压缩后的基矢比对网络数据根据霍夫曼编码进行编码，使得基矢比对网络数据进一步得到压缩。
采用上述任意一种方式编码的网络数据，接收方根据编码表进行解码，对于接收 到的第
Figure 55126DEST_PATH_IMAGE050
个码元，首先判断是否为符号
Figure DEST_PATH_IMAGE079
、
Figure 91608DEST_PATH_IMAGE080
所对应码元，如果是，不输出探测 信息，而是在前一次位置信息
Figure 784758DEST_PATH_IMAGE082
的基础上继续累加，
对于
Figure 439730DEST_PATH_IMAGE079
所对应码元，新的
Figure 927343DEST_PATH_IMAGE084
计算如下：
Figure 605449DEST_PATH_IMAGE086
对于
Figure 977656DEST_PATH_IMAGE080
所对应码元，新的
Figure 362501DEST_PATH_IMAGE087
计算如下：
Figure 411228DEST_PATH_IMAGE089
如果不是符号
Figure 311051DEST_PATH_IMAGE079
、
Figure 80424DEST_PATH_IMAGE080
所对应码元，基于编码表判断属于
Figure 224835DEST_PATH_IMAGE091
或
Figure 116568DEST_PATH_IMAGE093
，由 此可得出基矢信息，新的位置信息
Figure 441370DEST_PATH_IMAGE094
计算如下：
Figure 404647DEST_PATH_IMAGE096
从而实现位置信息和基矢信息的解码过程。
除此上述之外，本申请的基矢比对网络数据的压缩方法还可以实时监测当前的探 测概率，根据实时监测当前的探测概率计算新的编码段长
Figure DEST_PATH_IMAGE097
。编码段长
Figure 295242DEST_PATH_IMAGE098
如果与之前 得到编码段长
Figure 170925DEST_PATH_IMAGE100
不同，则信息的发送方首先发送编码格式改变告知信息的接收方，并 后续修改编码段长为
Figure 248603DEST_PATH_IMAGE097
。
为了适应网络以字节为单位传输，考虑到最优码长通常不是8的整数倍，而网络数据传输以字节单位，为了适应网络传输，一种可行的方案是对累积数据的量达到8比特的整数倍，然后对数据进行比特重排。具体则将压缩后的基矢比对网络数据横向拼接或者竖向拼接进行数据重排，使得重排后的数据每行字符数为8。例如若编码段长为7，横向拼接则是将data2的第一位与data1的最后一位进行拼接，将data3的第一位与data2的最后一位进行拼接，以此类推，具体的示意图可参考如图2所示的示意图；竖向拼接则是将8组数据竖向排列为7行，传输时按照行传输，接收方按照列恢复数据，具体示意图可参考图3所示的示意图。另外，为了避免网络数据帧过程，在网络传输中分包，还可设定单个数据帧的长度不大于1500个字节。
本申请第二方面提供一种QKD系统的基矢比对网络数据的压缩装置，该装置应用于接收端，具体结构可参考图4所示的示意图，其具体结构包括：
探测概率获取模块，用于获取当前QKD系统的探测概率q；
段长计算模块，用于根据
Figure 422095DEST_PATH_IMAGE011
，其中
Figure 760673DEST_PATH_IMAGE101
，使
Figure 197470DEST_PATH_IMAGE013
值最小 时所得的n值即为编码段长；
探测事件获取模块，用于获取每组探测事件的位置信息和基矢信息；
位置信息编码模块，用于将每组探测事件的位置信息以编码段长作为码元长度进行游程编码；
基矢信息编码模块，用于将每组游程编码的最后一位作为基矢信息的标识，得到压缩后的基矢比对网络数据。
优选地，位置信息编码模块包括：
窗口时间获取单元，用于获取无探测事件的窗口时间，该窗口时间包括单光子探测器的死时间和预设的无探测时间；
位置信息处理单元，用于将每组探测事件的位置信息扣除窗口时间对应位置偏移后，得到每组探测事件新的位置信息；
位置信息编码单元，用于将每组探测事件的位置信息以编码段长作为码元长度进行游程编码。
优选地，所述压缩装置还包括霍夫曼编码模块：
霍夫曼编码模块，用于将输出压缩后的基矢比对网络数据根据霍夫曼编码进行编码。
本申请第三方面提供一种QKD系统的基矢比对网络数据压缩方法，该方法应用于发射端，可参考图5所示的流程图，具体步骤包括：将发射基矢信息一致的网络数据合并，得到X基矢网络数据、Z基矢网络数据和真空态网络数据；将X基矢网络数据根据测量基矢选择和抽样，合并为第一抽样基矢网络数据和第二抽样基矢网络数据；获取接收端的测量基矢选择概率，并根据基矢发射选择概率、抽样选择概率和测量基矢选择概率得到第一抽样基矢网络数据、第二抽样基矢网络数据、Z基矢网络数据和真空态网络数据的概率；根据第一抽样基矢网络数据和第二抽样基矢网络数据、Z基矢网络数据和真空态网络数据的概率利用霍夫曼编码进行网络数据编码，得到压缩后的基矢比对网络数据。具体说明如下：
Alice和Bob其中一种情况下发送的量子态和测量结果如下表所示：
Figure 559182DEST_PATH_IMAGE103
其中Alice按照一定的概率发送X基矢的诱骗态，Z基矢的信号态、Z基矢的诱骗态和真空态，上述四种量子态分别简写为“DX”、“SZ”、“DZ”和“O”，Bob接收到Alice发送的信息后随机的选择X基矢或Z基矢进行探测，那么可以得到结果如上表所示，分别为{1}、{2}·····{8}。Alice需要告知Bob发送的基矢信息是什么，因此可以将相同基矢的网络数据进行合并，则得到{1、2}，{3、4、5、6}以及{7、8}，在BB84协议中还要求进行抽样，因此本申请不管测量与制备是否一样，都公开自己的抽样信息，则可将集合{1、2}与抽样信息合并为{1(抽样)}、{2(抽样)}。即得到第一抽样基矢网络数据{1(抽样)}、第二抽样基矢网络数据{2(抽样)}、Z基矢网络数据{3、4、5、6}和真空态网络数据{7、8}。根据当前QKD系统发射端参数（各种量子态的发射概率和平均光子数、抽样选择概率）、接收端参数（测量基矢的选择概率、探测效率），从而获取当前各种待编码信息的概率，例如Alice发送DX的概率为20%，Bob采用X基矢探测的概率为30%，则Bob采用Z基矢探测的概率为70%，那么网络数据{1}得到的概率则为6%，网络数据{2}得到的概率则为14%，其他量子态以此类推，从而得到第一抽样基矢网络数据、第二抽样基矢网络数据、Z基矢网络数据和真空态网络数据的概率。根据霍夫曼编码的规则对上述网络数据{1(抽样)}、{2(抽样)} 、{3、4、5、6}和{7、8}进行数据编码，从而得到压缩后的基矢比对网络数据。
本申请第四方面提供一种QKD系统的基矢比对网络数据压缩方法，该方法应用于发射端，可参考图6所示的流程图，具体步骤包括：将探测基矢信息一致的网络数据合并，得到基矢一致的网络数据、基矢不一致的网络数据和真空态网络数据，其中发射端发送的基矢和接收端采用的测量基矢相同称为基矢一致，否则为不一致；将基矢一致的网络数据中抽样“bit0”的数据合并为第一抽样基矢网络数据；将基矢一致的网络数据中抽样“bit1”的数据合并为第二抽样基矢网络数据，剩余的网络数据合并为Z基矢网络数据；获取接收端的测量基矢选择概率，并根据基矢发射选择概率、抽样选择概率和测量基矢选择概率得到第一抽样基矢网络数据、第二抽样基矢网络数据、Z基矢网络数据、基矢不一致的网络数据和真空态网络数据的概率；根据第一抽样基矢网络数据、第二抽样基矢网络数据、Z基矢网络数据、基矢不一致的网络数据和真空态网络数据的概率利用霍夫曼编码进行网络数据编码，得到压缩后的基矢比对网络数据。具体说明如下：
Alice和Bob其中一种情况下发送的量子态和测量结果如下表所示：
Figure 116458DEST_PATH_IMAGE105
其中Alice按照一定的概率发送X基矢的诱骗态，Z基矢的信号态、Z基矢的诱骗态和真空态，上述四种量子态分别简写为“DX”、“SZ”、“DZ”和“O”，Bob接收到Alice发送的信息后随机的选择X基矢或Z基矢进行探测，那么可以得到结果如上表所示，分别为{1}、{2}·····{8}。Alice需要告知Bob发送与测量的基矢是否一致，因此可以将发送与测量的基矢一致的网络数据进行合并得到{1、4、6}，将发送与测量的基矢不一致的网络数据进行合并{2、3、5}，以及真空态网络数据{7、8}。在BB84协议中还要求进行抽样，将{1}中抽样“bit0”的数据拆分为{1(bit0)}即第一抽样基矢网络数据，将{1}中抽样“bit1”的数据拆分为{1(bit1)}即第二抽样基矢网络数据，其余的网络数据{4、6}即为Z基矢网络数据，{2、3、5}即为基矢不一致的网络数据以及真空态网络数据{7、8}。
根据当前QKD系统发射端参数（各种量子态的发射概率和平均光子数、抽样选择概率）、接收端参数（测量基矢的选择概率、探测效率），从而获取当前各种待编码信息的概率，例如Alice发送DX的概率为20%，Bob采用X基矢探测的概率为30%，则Bob采用Z基矢探测的概率为70%，那么网络数据{1}得到的概率则为6%，若抽样“bit1”的概率为50%，抽样为“0”的概率为50%，则{1(bit0)} 得到的概率则为3%，则{1(bit1)} 得到的概率则为3%，其他量子态以此类推，从而得到第一抽样基矢网络数据、第二抽样基矢网络数据、Z基矢网络数据、基矢不一致的网络数据和真空态网络数据的概率。根据霍夫曼编码的规则对上述网络数据{1(bit0)}、{1(bit1)} 、{4、6}、{2、3、5}和{7、8}进行数据编码，从而得到压缩后的基矢比对网络数据。
本申请还可根据第三方面和第四方面提供的压缩方法和相应分类的概率，基于霍夫曼编码方式进行编码，得到各类编码信息的编码后长度，比较两种方式编码得到网络数据的平均编码长度，选择平均编码长度较小的作为编码方式。
本申请第五方面提供一种QKD系统的基矢比对网络数据的传输方法，该方法包括： 接收端采用上述任意一项所述的应用于接收端的压缩方法将基矢比对网络数据压缩后发 送至发射端；发射端采用上述任意一项所述的应用于发射端的压缩方法将基矢比对网络数 据压缩后发送至接收端。考虑发送端（Alice）至接收端（Bob）的网络交互数据，该数据中包 含基矢信息外，还包含可能的抽样信息，考虑到非平衡基矢方案，因此也存在进一步压缩的 可能。因此发射端只接收端的一种采用霍夫曼编码的具体过程如下表：
待编码的信息 出现概率 霍夫曼编码
Z基矢信号态，不抽样 75% 0
X基矢诱骗态，bit0，抽样 10% 10
X基矢诱骗态，bit1，抽样 10% 110
真空态，抽样 5% 111
以上结合具体实施方式和范例性实例对本申请进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本申请的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本申请精神和范围的情况下，可以对本申请技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本申请的范围内。本申请的保护范围以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种QKD系统的基矢比对网络数据压缩方法，其特征在于，该方法应用于接收端，具体步骤包括：
获取当前QKD系统的探测概率q；
根据
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE004
，使
Figure DEST_PATH_IMAGE006
值最小时所得的n值即为编码段长；
获取每组探测事件的位置信息和基矢信息；
将每组探测事件的位置信息以编码段长作为码元长度进行游程编码；
将每组游程编码的最后一位数据后再额外添加一位数据作为基矢信息的标识，得到压缩后的基矢比对网络数据。
2.根据权利要求1所述的QKD系统的基矢比对网络数据压缩方法，其特征在于，所述将每组探测事件的位置信息以编码段长作为码元长度进行游程编码包括：
获取无探测事件的窗口时间，该窗口时间包括单光子探测器的死时间和预设的无探测时间；
将每组探测事件的位置信息扣除窗口时间对应位置偏移后，得到每组探测事件新的位置信息；
将每组探测事件的新的位置信息根据编码段长进行游程编码。
3.根据权利要求1或2所述的QKD系统的基矢比对网络数据压缩方法，其特征在于，所述将每组探测事件的位置信息以编码段长作为码元长度进行游程编码还包括：
若QKD系统中有设备启动或者在执行校准过程时，将第一组探测事件的位置信息采用绝对位置编码；
将第二组及之后的探测事件的位置信息以编码段长作为码元长度进行游程编码。
4.根据权利要求3所述的QKD系统的基矢比对网络数据压缩方法，其特征在于，所述根据编码段长对基矢比对网络数据进行游程编码之后还包括：
将输出压缩后的基矢比对网络数据根据霍夫曼编码进行编码。
5.根据权利要求3所述的QKD系统的基矢比对网络数据压缩方法，其特征在于，该方法还包括：
实时监测当前的探测概率；
根据实时监测当前的探测概率计算新的编码段长
Figure DEST_PATH_IMAGE008
；
如果
Figure DEST_PATH_IMAGE009
与之前得到编码段长不同，则发送编码格式变更的告知信息，并将编码段长改为
Figure 707012DEST_PATH_IMAGE009
。
6.根据权利要求3所述的QKD系统的基矢比对网络数据压缩方法，其特征在于，该方法还包括：
若编码段长不为8的整数倍，则将压缩后的基矢比对网络数据横向拼接或者竖向拼接进行数据重排，使得重排后的数据每行字符数为8。
7.一种QKD系统的基矢比对网络数据的压缩装置，其特征在于，该装置应用于接收端，具体结构包括：
探测概率获取模块，用于获取当前QKD系统的探测概率q；
段长计算模块，用于根据
Figure DEST_PATH_IMAGE010
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE011
，使
Figure DEST_PATH_IMAGE012
值最小时所得的n值即为编码段长；
探测事件获取模块，用于获取每组探测事件的位置信息和基矢信息；
位置信息编码模块，用于将每组探测事件的位置信息以编码段长作为码元长度进行游程编码；
基矢信息编码模块，用于将每组游程编码的最后一位数据后再额外添加一位数据作为基矢信息的标识，得到压缩后的基矢比对网络数据。
8.一种QKD系统的基矢比对网络数据的传输方法，其特征在于，该方法包括：
接收端采用权利要求1-6任意一项所述的基矢比对网络数据压缩方法将基矢比对网络数据压缩后发送至发射端；
发射端的基矢比对网络数据采用如下方法压缩后发送至接收端，其具体步骤包括：
将发射基矢信息一致的网络数据合并，得到X基矢网络数据、Z基矢网络数据和真空态网络数据；
将X基矢网络数据根据测量基矢选择和抽样，合并为第一抽样基矢网络数据和第二抽样基矢网络数据；
获取接收端的测量基矢选择概率，并根据基矢发射选择概率、抽样选择概率和测量基矢选择概率得到第一抽样基矢网络数据、第二抽样基矢网络数据、Z基矢网络数据和真空态网络数据的概率；
根据第一抽样基矢网络数据和第二抽样基矢网络数据、Z基矢网络数据和真空态网络数据的概率利用霍夫曼编码进行网络数据编码，得到压缩后的基矢比对网络数据。
9.一种QKD系统的基矢比对网络数据的传输方法，其特征在于，该方法包括：
接收端采用权利要求1-6任意一项所述的基矢比对网络数据压缩方法将基矢比对网络数据压缩后发送至发射端；
发射端的基矢比对网络数据采用如下方法压缩后发送至接收端，其具体步骤包括：
将探测基矢信息一致的网络数据合并，得到基矢一致的网络数据、基矢不一致的网络数据和真空态网络数据，其中发射端发送的基矢和接收端采用的测量基矢相同称为基矢一致，否则为不一致；
将基矢一致的网络数据中抽样“bit0”的数据合并为第一抽样基矢网络数据；将基矢一致的网络数据中抽样“bit1”的数据合并为第二抽样基矢网络数据，剩余的网络数据合并为Z基矢网络数据；
获取接收端的测量基矢选择概率，并根据基矢发射选择概率、抽样选择概率和测量基矢选择概率得到第一抽样基矢网络数据、第二抽样基矢网络数据、Z基矢网络数据、基矢不一致的网络数据和真空态网络数据的概率；
根据第一抽样基矢网络数据、第二抽样基矢网络数据、Z基矢网络数据、基矢不一致的网络数据和真空态网络数据的概率利用霍夫曼编码进行网络数据编码，得到压缩后的基矢比对网络数据。
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