CN113225184A - 一种被动诱骗态调制的参考系无关量子密钥分发系统及方法 - Google Patents
一种被动诱骗态调制的参考系无关量子密钥分发系统及方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113225184A CN113225184A CN202110508973.6A CN202110508973A CN113225184A CN 113225184 A CN113225184 A CN 113225184A CN 202110508973 A CN202110508973 A CN 202110508973A CN 113225184 A CN113225184 A CN 113225184A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- signal
- bob
- key
- alice
- coding
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 79
- 238000009826 distribution Methods 0.000 title claims abstract description 44
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 20
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 18
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims abstract description 17
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims abstract description 11
- 238000012937 correction Methods 0.000 claims abstract description 10
- 238000012216 screening Methods 0.000 claims abstract description 8
- 230000003321 amplification Effects 0.000 claims abstract description 7
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 claims abstract description 7
- 230000004044 response Effects 0.000 claims description 38
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims description 17
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 claims description 9
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 claims description 9
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 9
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims description 6
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims description 4
- 210000003733 optic disk Anatomy 0.000 claims description 4
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 claims description 3
- 230000010365 information processing Effects 0.000 claims description 3
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 3
- QVRVXSZKCXFBTE-UHFFFAOYSA-N n-[4-(6,7-dimethoxy-3,4-dihydro-1h-isoquinolin-2-yl)butyl]-2-(2-fluoroethoxy)-5-methylbenzamide Chemical compound C1C=2C=C(OC)C(OC)=CC=2CCN1CCCCNC(=O)C1=CC(C)=CC=C1OCCF QVRVXSZKCXFBTE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 15
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 13
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 7
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 4
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 3
- 238000002372 labelling Methods 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 238000012805 post-processing Methods 0.000 description 2
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 2
- 239000013598 vector Substances 0.000 description 2
- 108091029480 NONCODE Proteins 0.000 description 1
- 230000002238 attenuated effect Effects 0.000 description 1
- QBLDFAIABQKINO-UHFFFAOYSA-N barium borate Chemical compound [Ba+2].[O-]B=O.[O-]B=O QBLDFAIABQKINO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000002902 bimodal effect Effects 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 238000010835 comparative analysis Methods 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000005315 distribution function Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 230000001900 immune effect Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000003550 marker Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 229910000402 monopotassium phosphate Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000019796 monopotassium phosphate Nutrition 0.000 description 1
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 1
- PJNZPQUBCPKICU-UHFFFAOYSA-N phosphoric acid;potassium Chemical compound [K].OP(O)(O)=O PJNZPQUBCPKICU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
- H04L9/00—Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols
- H04L9/08—Key distribution or management, e.g. generation, sharing or updating, of cryptographic keys or passwords
- H04L9/0816—Key establishment, i.e. cryptographic processes or cryptographic protocols whereby a shared secret becomes available to two or more parties, for subsequent use
- H04L9/0852—Quantum cryptography
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04B—TRANSMISSION
- H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
- H04B10/70—Photonic quantum communication
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
- H04L9/00—Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols
- H04L9/08—Key distribution or management, e.g. generation, sharing or updating, of cryptographic keys or passwords
- H04L9/0816—Key establishment, i.e. cryptographic processes or cryptographic protocols whereby a shared secret becomes available to two or more parties, for subsequent use
- H04L9/0819—Key transport or distribution, i.e. key establishment techniques where one party creates or otherwise obtains a secret value, and securely transfers it to the other(s)
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Computer Security & Cryptography (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Optical Communication System (AREA)
- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
Abstract
本发明涉及一种被动诱骗态调制的参考系无关量子密钥分发系统及方法，属于量子密码学技术领域。其中系统包括发送端Alice信号制备装置和Bob信号接收测量装置，所述的发送端Alice信号制备装置包含两个脉冲激光器Laser1和Laser2、分束器BS、编码模块以及一个门限单光子探测器D0。其中方法包括：刻画QKD系统参数，计算发送端Alice输出信号的概率分布规律，用于确定诱骗态标记情况；将信号态和诱骗态分别输入编码模块进行调制，编码模块随机地选择三组相互无偏基中的一组并将密钥信息编码在各组基的两个本征量子态上，采用随机编码的方式并通过信道发送给接收端Bob进行测量、对基筛选、纠错、以及保密放大过程。本发明提高系统抵御参考系旋转的能力，改善密钥分发整体性能。
Description
技术领域
本发明属于量子密码学技术领域，具体涉及一种被动诱骗态调制的参考系无关量子密钥分发(Quantum Key Distribution,QKD)方法，包括基于被动诱骗态理论的发送端设置方法以及参考系无关的QKD编解码方法。
背景技术
量子密钥分发(QKD)依靠单光子的量子特性进行信息的编解码、传输、接收以及后处理过程，能够在通信双方之间产生理论上不可窃听、不可篡改的安全密钥。当前，基于主动诱骗态调制的传统QKD在硬件实现上需要对光源进行高速斩波控制，不仅消耗大量随机数资源，也在一定程度上增加了系统的侧信道安全隐患。在软件编解码方面又存在由于收发测量基矢失准造成信道误码较高的缺陷。文献[Jian-Rong Zhu,Chun-Mei Zhang,QinWang,Efficient scheme for passive decoy-state reference-frame-independentquantum key distribution,Physics Letters A,383(2019)311-315.]针对上述问题提出在参考系无关QKD的基础上利用参量下转换光源被动地调制出四种强度的光脉冲信号，从而避免繁琐的主动调制，实现可抵抗参考系缓慢漂移的高效QKD系统。该方法以制备不同强度诱骗态脉冲为目标，首先向一块非线性晶体发射衰减激光脉冲，通过参量下转换过程产生信号光(S模式)和闲频光(I模式)，信号光用于编码量子信息并发送给接收端解码；其次，利用分束器将闲频光一分为二并分别使用两个单光子探测器进行探测，根据这两个探测器的响应情况可标记出四种不同强度的光脉冲。但上述方法尚存在以下不足：
(1)非线性晶体相位匹配条件苛刻，其参量下转换过程由随机真空涨落所激发，受环境因素影响较大，导致转换效率不高，易出现长距离情况下码率衰减过快的问题。
(2)用于探测闲频光的双探测器探测效率不完全匹配，造成标记信号光强度涨落、光子数概率分布不均等现象，使得实际安全密钥分发性能受影响。
(3)发送端结构设置相对复杂，易引入侧信道漏洞。实现四种标记光脉冲完全区分的难度较大且仅有三种用于调制诱骗态，资源利用效率不高，特别是对于高速QKD系统不友好。
发明内容
要解决的技术问题
为了保证QKD系统对参考系旋转和量子态传输过程中的劣化具有鲁棒性的同时尽可能降低系统成本，简化诱骗态调制的光学结构，本发明提出一种基于线性光学元件的被动诱骗态调制参考系无关量子密钥分发系统及方法。
技术方案
一种基于线性器件的被动诱骗态参考系无关QKD系统，包括发送端Alice信号制备装置和Bob信号接收测量装置，两者之间为传输信道；其特征在于所述的发送端Alice信号制备装置包含两个脉冲激光器Laser1和Laser2、分束器BS、编码模块以及一个门限单光子探测器D0；两个脉冲激光器Laser1和Laser2的输出均连接分束器BS，分束器BS输出的两束光分别送入门限单光子探测器D0和编码模块，探测器D0根据响应或不响应两种情况对信号光进行标记，编码模块输出至Bob信号接收测量装置。
本发明进一步的技术方案为：所述的Bob信号接收测量装置包括一个解码模块和与解码模块连接的两个门限单光子探测器D1和D2。
本发明进一步的技术方案为：所述的两个脉冲激光器分别为服从参数为μ1,μ2的泊松分布弱相干信号。
本发明进一步的技术方案为：所述的传输信道由光纤盘Fiber表示。
一种被动诱骗态调制的参考系无关量子密钥分发方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：刻画QKD系统参数，计算发送端Alice输出信号的概率分布规律，用于确定诱骗态标记情况，即以发送端探测器有响应标记为诱骗态，无响应标记为信号态；
步骤2：将信号态和诱骗态分别输入编码模块进行调制，编码模块随机地选择三组相互无偏基中的一组并将密钥信息编码在各组基的两个本征量子态上，采用随机编码的方式并通过信道发送给接收端Bob进行测量、对基筛选、纠错、以及保密放大过程，具体包括以下步骤：
(1)制备：Alice随机且均匀地选择一串比特值记为yi，随后Alice分别以概率Pi∈{X,Y,Z}随机地选择三组制备基ai∈{X,Y,Z}，对应于三个泡利矩阵σx,σy,σz，基选择概率满足约束条件为0<Pi<1且∑iPi＝1；每个矩阵表象下有两个本征量子态用于编码Alice手中的比特值，其中一组对参考系旋转不敏感的基用于成码；三组基的编码
态如表1所示：
表1.三组编码基与相应的量子态
具体地，对于偏振编码系统，|0>和|1>分别是水平和垂直偏振态，对于相位编码系统则分别是干涉结构的长臂和短臂时间戳态；经过选基编码后，Alice将信号光脉冲发送给接收端；
(2)传输：经过上述编码过程后，信号光子通过量子信道传输给Bob；此时，任意量子态将受到两类影响，一是由单位算符刻画的信道固有衰减，二是由泡利算符刻画的窃听行为或者信道扰动；后者一般会造成接收到的信号在解码时发生比特错误或相位错误，为了便于后续分析，将信道中量子态的劣化和由于收发双方相对运动造成的错误都定义为参考系旋转；
(3)测量：信号到达接收端后经过分束器进入两个独立的门限单光子探测器，即Bob以一定的概率选择测量基bi∈{X,Y,Z}，记录测量得到的结果为y′i，记四种可能的测量结果为
当且仅当一个探测器响应记为0或1，双探测器均不响应记为
同时响应记为⊥；对于前三种响应Bob将观测结果赋值给y′i，对于双响应事件则赋随机值；
(4)筛选：经过测量阶段后，Alice和Bob在公开的经典信道上公布各自使用的编码基，保留双方选基相同的比特
同时不抛弃选基不同的比特
得到的数据为筛后密钥；记不同基组合下的筛后密钥长度为nBB；
(5)后处理：包含纠错和保密放大两部分，首先，双方将筛后密钥中出现错误的比特位纠正过来，并消耗长度为
的密钥，其中
表示Alice和Bob各自保有的筛后密钥，H(m|n)表示条件熵，fEC为纠错算法的效率，实际信息处理中该条件熵等于各种基组合下的比特误码eBB；然后，去除筛后密钥中可能被窃听者窃取的部分，此时将消耗长度为
的密钥，其中
表示BB基组合下的相位误码。
本发明进一步的技术方案为：步骤2中(5)采用单向通信的低密度奇偶校验算法LDPC或双向通信的级联算法Cascade将筛后密钥中出现错误的比特位纠正过来。
本发明进一步的技术方案为：步骤2中(5)采用哈希过程去除筛后密钥中可能被窃听者窃取的部分。
有益效果
本发明提出的一种被动诱骗态调制的参考系无关量子密钥分发系统及方法，无需非线性的能量转换过程，在发送端光源结构设置部分只需要两束弱相干激光和一个普通门限探测器，通过两束激光在线性光学元件分束器(BS)处进行双光子干涉，从而产生光子数分布具有经典关联性的两路信号，以门限探测器响应或不响应情况作为判断依据，便可确定分束器另一路输出信号的条件光子数统计分布规律。将这样两种不同的光脉冲作为两强度的QKD信号，用于诱骗态参数估计。此外，基于三组相互无偏基编码方案设计参考系无关的QKD系统，在密钥后处理阶段通过非成码基的单光子误码率估计系统安全阈值C，利用该阈值计算窃听者Eve可能获得的最大信息量，从而确保成码基能够稳定生成密钥，提高系统抵御参考系旋转的能力，改善密钥分发整体性能。
本发明改进了原始被动诱骗态参考系无关QKD系统需要使用非线性晶体产生标记光的不足，节省了发送端需配备两台单光子探测器的资源开销，并利用三组相互无偏基进行量子态编码和误码估计，使系统对参考系漂移具有较强的免疫效果。本发明核心在于有效地区分诱骗态和信号态脉冲，旨在利用光子经过线性晶体的物理原理提高信号态标记效率，降低被动诱骗态参考系无关QKD系统复杂性，实现高效可靠的量子密钥分发。
与现有被动诱骗态参考系无关QKD相比存在以下异同，第一，产生标记光脉冲的原理不同。已有方法是基于单光子的参量下转换过程，属于非线性的光学效应；本发明方法则基于双光子干涉原理，属于线性光学效应，实验难度较低。第二，实验结构不同，已有方法的发送端采用单激光器和双探测器，一个非线性晶体和一个线性晶体组成，成本较高；本发明方法仅使用两个激光器、一个探测器、一个线性晶体，成本相对较低。第三，系统性能相当，本发明方法与已有方法产生的安全密钥率处于同等量级(10-4/脉冲，以10km标准光纤距离为例)，但本发明方法物理结构简单，易于实现，避免了实际实验中的诸多麻烦。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1是原有基于非线性晶体的被动诱骗态QKD系统示意图。
图2是本发明所给出的改进被动诱骗态参考系无关QKD系统示意图。
图3是原有基于非线性晶体产生四种标记情况的光子数分布概率图。
图4是本发明中发送端输出光子数分布概率与常用的弱相干态脉冲泊松分布概率对比图。
图5是本发明中关键参数安全阈值C在主动诱骗态和被动诱骗态系统中的对比图。
图6是本发明中被动诱骗态方法的关键参数安全阈值C随着参考系旋转角的变化速率图。
图7是采用本发明方法得出的安全密钥率与常规主动诱骗态方法密钥率的对比图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
1、建立基于弱相干光源和线性晶体的被动诱骗态发送端模型
如图1所示为文献[Jian-Rong Zhu,Chun-Mei Zhang,Qin Wang,Efficientscheme for passive decoy-state reference-frame-independent quantum keydistribution,Physics Letters A,383(2019)311-315.]提出的基于非线性晶体的被动诱骗态参考系无关QKD系统示意图，包括发送端Alice信号制备装置和Bob信号接收测量装置两大部分。
其中，Alice端包含一个脉冲激光器Laser1、非线性晶体NL、两块反射镜M、编码模块、分束器BS，以及两个门限单光子探测器D0和D1。Bob端包含解码模块和两个门限单光子探测器D2和D3。传输信道由光纤盘Fiber表示。在该模型中，输入光作为泵浦源发出泵浦光子，与非线性晶体(偏硼酸钡或磷酸二氢钾)相互作用将产生信号(S)和闲频(I)两个光子，该过程满足能量守恒和动量守恒原理，即ωp＝ωs+ωi，kp＝ks+ki，其中，ωp,ωs,ωi分别表示泵浦光频率、信号光频率、闲频光频率；kp,ks,ki分别表示泵浦光、信号光和闲频光的波矢量。此时产生的双模式光场量子态可以写作：
|n>表示n光子态，Pn表示相应的光子数概率分布，这个过程被称为参量下转换(parametric down-conversion,PDC)。
实验中，激光信号经过非线性晶体后分裂为相关联的两束，其中一束经过分束器BS后在Alice本地进入探测器D0和D1探测，另一束进入编码模块进行编码后发送给Bob。双方根据D0和D1可能的四种响应情况(D0和D1都不响应，D0响应D1不响应，D0不响应D1响应，D0和D1同时响应)作为标记信号光的依据。假设所有探测器参数一致：暗计数率为d，探测效率为ηd。分束器的分束比为t，假设激光源发出服从参数为μ的泊松分布的弱相干光信号。则针对上述四种标记情况(上标1,2,3,4表示)，另一束光的光子数分布条件概率分别为：
如图2所示为本发明提出的基于线性光学器件的被动诱骗态调制的参考系无关QKD系统结构示意图。同样包括发送端Alice信号制备装置和Bob信号接收测量装置两大部分。
其中，Alice端包含两个脉冲激光器Laser1和Laser2、分束器BS、编码模块，以及一个门限单光子探测器D0。Bob端包含解码模块和两个门限单光子探测器D1和D2。传输信道由光纤盘Fiber表示。本方法与图1所示方法主要区别在于发送端结构不同，不需要昂贵且条件较高的非线性晶体，只需要使用普通分束器，并且只需一个单光子探测器。本方法利用了双光子干涉全同性原理和具有固定相位差的弱相干光源干涉的相关性，对产生出的信号光子进行标记。将BS输出的两束光分别送入Alice本地探测器D0和编码模块，根据探测器D0响应或不响应两种情况作为标记信号光的依据。本方法中假设两个激光器分别服从参数为μ1,μ2的泊松分布弱相干信号，BS的分束比为t，探测器暗计数率为d，探测效率为ηd。为了更加贴近实际，本方法还考虑了编解码模块的传输损耗tc。
2、建立基于双门限探测器的接收端模型
本发明方法采用较为普遍的双探测器接收端结构，在Bob端的解码模块将接收到的光信号分为两束以实现随机选基作用。如图2所示，D1和D2连接在解码模块后面，当双方正确对基时，输出的光脉冲只走一路进入一个探测器，当对基错误时光脉冲同时进入两个探测器。为便于分析，记有光一路的探测器为Da，无光一路的探测器为Db。为了便于理解，我们将所有公式中涉及到的符号参量列表如下。
表2.公式中所涉及的符号参量及其含义
3、依据上述内容建立的模型刻画QKD系统参数，并计算发送端Alice输出信号的概率分布规律，用于确定诱骗态标记情况。具体地，以发送端探测器有响应标记为诱骗态，无响应标记为信号态。
将制备的信号态和诱骗态分别输入编码模块进行调制，该模块负责随机地选择三组相互无偏基中的一组并将密钥信息编码在各组基的两个本征量子态上，为确保协议安全性，同样采用随机编码的方式并通过信道发送给接收端Bob进行后续的测量、对基筛选、纠错、以及保密放大过程。具体包括以下步骤：
(1)制备：Alice随机且均匀地选择一串比特值记为yi，随后Alice分别以概率Pi∈{X,Y,Z}随机地选择三组制备基ai∈{X,Y,Z}，对应于三个泡利矩阵σx,σy,σz，基选择概率满足约束条件为0<Pi<1且∑iPi＝1。每个矩阵表象下有两个本征量子态用于编码Alice手中的比特值，其中一组对参考系旋转不敏感的基用于成码。三组基的编码态如表1所示：
表1.三组编码基与相应的量子态
具体地，对于偏振编码系统，|0>和|1>分别是水平和垂直偏振态，对于相位编码系统则分别是干涉结构的长臂和短臂时间戳态。经过选基编码后，Alice将信号光脉冲通过光纤或自由空间信道发送给接收端。(不需要选择脉冲强度，即不需要概率地选择信号态和诱骗态)
(2)传输：经过上述编码过程后，信号光子通过量子信道传输给Bob。此时，任意量子态将受到两类影响，一是由单位算符刻画的信道固有衰减，二是由泡利算符刻画的窃听行为或者信道扰动。后者一般会造成接收到的信号在解码时发生比特错误或相位错误，为了便于后续分析，将信道中量子态的劣化和由于收发双方相对运动造成的错误都定义为参考系旋转。
(3)测量：信号到达接收端后经过分束器进入两个独立的门限单光子探测器，即Bob以一定的概率选择测量基bi∈{X,Y,Z}，记录测量得到的结果为y′i，记四种可能的测量结果为
当且仅当一个探测器响应记为0或1，双探测器均不响应记为
同时响应记为⊥。对于前三种响应Bob将观测结果赋值给y′i，对于双响应事件则赋随机值。
(4)筛选：经过测量阶段后，Alice和Bob在公开的经典信道上公布各自使用的编码基(测量基)，保留双方选基相同的比特
同时不抛弃选基不同的比特
得到的数据为筛后密钥。这一点有别于普通的BB84协议，记不同基组合下的筛后密钥长度为nBB。
(5)后处理：该步骤包含纠错和保密放大两部分，首先，双方可以借助单向通信的低密度奇偶校验(LDPC)算法或者双向通信的级联(Cascade)算法将筛后密钥中出现错误的比特位纠正过来，并消耗长度为
的密钥，其中
表示Alice和Bob各自保有的筛后密钥，H(m|n)表示条件熵，fEC为纠错算法的效率，实际信息处理中该条件熵等于各种基组合下的比特误码eBB。然后，为了提高量子密钥的安全性，还需要进一步通过哈希过程去除筛后密钥中可能被窃听者窃取的部分，此时将消耗长度为
的密钥，其中
表示BB基组合下的相位误码。
3.1、刻画系统参数，计算发送端Alice输出信号的概率分布函数
根据上述模型，两束经过相位随机化的弱相干光源入射到BS之前，其初始联合量子态为
φ1和φ2为整体随机相位。经过BS发生双光子干涉作用后输出两束信号的量子态分别为
和
其中前者进入编码模块并发送给Bob，后者进入Alice本地探测器D0。在本方案中考虑了编解码模块的传输损耗tc后，BS两个端口分别输出n光子态和m光子态的联合概率可表示为两个泊松分布的乘积：
θ＝π/2+φ1+φ2 (8)
对(5)式做简单的变量代换可将其简化为：
v＝μ1+μ2 (10)
γ＝[μ1t+μ2(1-t)+ξcosθ]/v (11)
通过测量BS连接探测器D0一路的输出信号可以得到另一路的光子数分布条件概率。当忽略BS标记路输出信号的情况时，另一路出射n光子态的总的概率为：
当探测器D0不响应(用上标
表示)和响应(用c表示)时，另一路输出n光子态脉冲的条件概率分别为：
由此可以更加方便地通过探测器有无响应来标记信号态和诱骗态脉冲，并且经过计算发现在相同参数条件下本发明方案产生单光子脉冲的成分更多，更有利于获得较高密钥率。下一节将结合实施例对上述光子数分布规律给出更加直观的描述。
3.2、Alice对输出信号进行编码调制，接收端Bob选基测量并后处理，完成密钥分发
首先，Alice的编码模块随机地给信号光子加载0或1比特信息，以偏振编码为例，该模块中包含的偏振控制单元调制输出光子偏振态为|H>、|V>、|+>、|->、|L>、|R>中的任意一种发送给Bob，其中
是σy表象下的45°和135°偏振态，而
是σz表象下的左旋和右旋偏振态，由于这组圆偏振态在环境中受到扰动的影响小，天然地可以抵抗参考系旋转，所以将这组偏振态所构成的基定义为成码基(习惯上称为Z基)。然后，Bob端的解码模块所包含的偏振控制单元通过随机改变波片角度来实现测量基的选择，例如，半波片置于0°用于测量区分水平垂直偏振态，置于45°用于测量区分45°和135°偏振态，半波片置于0°再加上四分之一波片置于45°用于测量区分左旋和右旋偏振态。最后，Bob记录下本地探测器的各种响应情况，利用计算机实现对基、纠错、密性放大步骤，生成安全密钥。
为更好地描述实施例仿真实验过程，本发明根据以上步骤建立的模型明确参考系无关QKD系统的关键参数计算方法，设Loss为信道损耗，则Alice和Bob之间的全局传输效率为
由于系统光学设计和编码非完美性造成的本底误码记为ed。单个探测器暗计数率为d。定义有且仅有一个探测器响应的情况为有效探测事件F，对于Alice发送过来的j光子态，当j>0时F(j)＝1-d，当j＝0时F(j)＝d(1-d)。则对于无光子的真空脉冲而言，Bob可观测的计数率为Q0＝2d(1-d)，可观测的误计数率为Q0E0＝2d(1-d)/2，对于其他包含n光子的脉冲，计数率等于发送光子的概率乘以接收端的响应概率，误计数率等于发送光子概率乘以接收端的响应概率以及误码率，即：
式中
表示不同强度的光脉冲，响应概率可表示为n个光子中有j个顺利传输到接收端并被成功测量引起响应的概率：
其中，
表示Alice在S基下发送比特a，Bob用S基测量得到比特b的投影概率。结合(13-18)式可以分别解算出不同强度脉冲、不同基组合条件下的计数概率，例如当D0不响应时，Alice在X基下发送0而Bob在X基下测得0的概率为：
I0(x)表示第一类0阶贝塞尔函数，β表示双方参考系之间的夹角。进一步，Alice在X基下发送且Bob在X基下测量的总计数率为：
式(17)中误计数率等于Q和E的乘积，该错误计数定义为系统本底误码和信道参考系旋转引起的误码两部分之和减去两种错误同时发生的概率，即
为了排除由于参考系旋转对称性带来的数值错误，最终的误计数修正为
其中：
由式(16-21)可以解得不同标记强度下的计数率和误计数率，从而利用诱骗态方法估计出各基组合及不同强度的单光子计数率下界Y1 L和误码率上界
代入经典的密钥率计算公式即可求出最终的安全密钥率。具体地：
可以看出，估算窃听者信息量IE的关键参数C主要由非成码基下的单光子误码率来计算，其中
然后，不区分只用哪种强度的脉冲成码，最终的安全密钥率等于各个强度下
密钥率的总和，如下式所示，其中q代表协议效率，H(x)代表二元香农熵。
本发明利用MATLAB进行实验仿真，选取现有参考系无关QKD实验文献中的实际最优参数在被动诱骗态场景中对本发明提出方法进行性能验证，并与其它方法进行对比分析。
设置探测器的暗计数率d＝3.2×10-7，探测效率ηd＝0.12。分束器的分束比t＝1/2，弱相干光源平均光子数μ＝1，按照图1所示方案得到的四种标记情况的输出信号光子数分布概率如图3所示，横坐标表示每脉冲包含的光子个数，纵坐标表示出现该光子数脉冲的概率，D0和D1都不响应的情况记为
D0响应D1不响应的情况记为
D0不响应D1响应情况记为
D0和D1同时响应记为
可以看出双探测器都不响应和只有单个探测器响应的情况可以产生少量的单光子脉冲用于QKD，且产生概率不高。
如图4所示为相同仿真参数情况下，本发明方法的输出光子数分布概率与常规泊松分布光子数分布概率的对比结果。从中可以看出，当输出光子数为0时，泊松分布发出的光脉冲概率为0.38，而本发明方法在信号态和诱骗态两种情况下发出的光脉冲概率为0.8和0.6，高于泊松分布。输出光子数大于1时，泊松分布发出光脉冲概率均大于本发明方法的信号态和诱骗态发送脉冲概率，说明本发明方法产生的信号中多光子成分更低，使系统遭受光子数分离攻击的风险更低。
如图5所示，从上至下分别展示了不同信道传输损耗条件下，主动诱骗态和本发明被动诱骗态方法的安全阈值C随着双方参考系旋转角的变化关系。其中，主动诱骗态方法的C值范围为[1.65,1.86]，本发明方法为[1.35,1.84]，并且二者均呈现以π/2为周期的变化规律，说明本发明方法仍然具有较强的抵抗参考系旋转能力。图6反映的是本发明方法中C值变化率随着参考系角度的变化关系，进一步说明了该方法在参考系剧烈变化过程中的鲁棒性。
如图7所示为本发明方法与原有主动诱骗态方法以及原始BB84方法的安全密钥率仿真对比结果，其中最优的是参考系旋转角度为0时的BB84方法，安全密钥率处于10-2量级，其次是主动诱骗态方法，其密钥率略低于BB84方法，但在参考系旋转角为π/8和π/4时仍然可以保持较高密钥率。再次是本发明方法得到的结果，虽然密钥率量级为10-4，但抵御参考系旋转的能力不差于主动诱骗态方法，传输距离也与主动诱骗态方法相当，可以达到32dB甚至35dB。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于线性器件的被动诱骗态参考系无关QKD系统，包括发送端Alice信号制备装置和Bob信号接收测量装置，两者之间为传输信道；其特征在于所述的发送端Alice信号制备装置包含两个脉冲激光器Laser1和Laser2、分束器BS、编码模块以及一个门限单光子探测器D0；两个脉冲激光器Laser1和Laser2的输出均连接分束器BS，分束器BS输出的两束光分别送入门限单光子探测器D0和编码模块，探测器D0根据响应或不响应两种情况对信号光进行标记，编码模块输出至Bob信号接收测量装置。
2.根据权利要求1所述的一种基于线性器件的被动诱骗态参考系无关QKD系统，其特征在于所述的Bob信号接收测量装置包括一个解码模块和与解码模块连接的两个门限单光子探测器D1和D2。
3.根据权利要求1所述的一种基于线性器件的被动诱骗态参考系无关QKD系统，其特征在于所述的两个脉冲激光器分别为服从参数为μ1,μ2的泊松分布弱相干信号。
4.根据权利要求1所述的一种基于线性器件的被动诱骗态参考系无关QKD系统，其特征在于所述的传输信道由光纤盘Fiber表示。
5.一种权利要求1所述的系统实现的被动诱骗态调制的参考系无关量子密钥分发方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：刻画QKD系统参数，计算发送端Alice输出信号的概率分布规律，用于确定诱骗态标记情况，即以发送端探测器有响应标记为诱骗态，无响应标记为信号态；
步骤2：将信号态和诱骗态分别输入编码模块进行调制，编码模块随机地选择三组相互无偏基中的一组并将密钥信息编码在各组基的两个本征量子态上，采用随机编码的方式并通过信道发送给接收端Bob进行测量、对基筛选、纠错、以及保密放大过程，具体包括以下步骤：
(1)制备：Alice随机且均匀地选择一串比特值记为yi，随后Alice分别以概率Pi∈{X,Y,Z}随机地选择三组制备基ai∈{X,Y,Z}，对应于三个泡利矩阵σx,σy,σz，基选择概率满足约束条件为0<Pi<1且∑iPi＝1；每个矩阵表象下有两个本征量子态用于编码Alice手中的比特值，其中一组对参考系旋转不敏感的基用于成码；三组基的编码态如表1所示：
表1.三组编码基与相应的量子态
具体地，对于偏振编码系统，|0>和|1>分别是水平和垂直偏振态，对于相位编码系统则分别是干涉结构的长臂和短臂时间戳态；经过选基编码后，Alice将信号光脉冲发送给接收端；
(2)传输：经过上述编码过程后，信号光子通过量子信道传输给Bob；此时，任意量子态将受到两类影响，一是由单位算符刻画的信道固有衰减，二是由泡利算符刻画的窃听行为或者信道扰动；后者一般会造成接收到的信号在解码时发生比特错误或相位错误，为了便于后续分析，将信道中量子态的劣化和由于收发双方相对运动造成的错误都定义为参考系旋转；
(3)测量：信号到达接收端后经过分束器进入两个独立的门限单光子探测器，即Bob以一定的概率选择测量基bi∈{X,Y,Z}，记录测量得到的结果为y′i，记四种可能的测量结果为
当且仅当一个探测器响应记为0或1，双探测器均不响应记为
同时响应记为⊥；对于前三种响应Bob将观测结果赋值给y′i，对于双响应事件则赋随机值；
(4)筛选：经过测量阶段后，Alice和Bob在公开的经典信道上公布各自使用的编码基，保留双方选基相同的比特
同时不抛弃选基不同的比特
得到的数据为筛后密钥；记不同基组合下的筛后密钥长度为nBB；
(5)后处理：包含纠错和保密放大两部分，首先，双方将筛后密钥中出现错误的比特位纠正过来，并消耗长度为
的密钥，其中
表示Alice和Bob各自保有的筛后密钥，H(m|n)表示条件熵，fEC为纠错算法的效率，实际信息处理中该条件熵等于各种基组合下的比特误码eBB；然后，去除筛后密钥中可能被窃听者窃取的部分，此时将消耗长度为
的密钥，其中
表示BB基组合下的相位误码。
6.根据权利要求5所述的被动诱骗态调制的参考系无关量子密钥分发方法，其特征在于步骤2中(5)采用单向通信的低密度奇偶校验算法LDPC或双向通信的级联算法Cascade将筛后密钥中出现错误的比特位纠正过来。
7.根据权利要求5所述的被动诱骗态调制的参考系无关量子密钥分发方法，其特征在于步骤2中(5)采用哈希过程去除筛后密钥中可能被窃听者窃取的部分。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110508973.6A CN113225184A (zh) | 2021-05-11 | 2021-05-11 | 一种被动诱骗态调制的参考系无关量子密钥分发系统及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110508973.6A CN113225184A (zh) | 2021-05-11 | 2021-05-11 | 一种被动诱骗态调制的参考系无关量子密钥分发系统及方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113225184A true CN113225184A (zh) | 2021-08-06 |
Family
ID=77094472
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110508973.6A Pending CN113225184A (zh) | 2021-05-11 | 2021-05-11 | 一种被动诱骗态调制的参考系无关量子密钥分发系统及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113225184A (zh) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113810190A (zh) * | 2021-10-29 | 2021-12-17 | 武汉船舶通信研究所（中国船舶重工集团公司第七二二研究所） | 基于dpsk的量子密钥分发系统、编码器、解码器及方法 |
| CN114050868A (zh) * | 2021-11-08 | 2022-02-15 | 北京师范大学 | 基于发或不发方法的量子安全直接通信方法 |
| CN115116564A (zh) * | 2022-07-26 | 2022-09-27 | 之江实验室 | 基于可编程量子计算的反向虚拟筛选平台及方法 |
| CN115276988A (zh) * | 2022-09-27 | 2022-11-01 | 南京大学 | 一种四强度测量设备无关密钥分发方法 |
| CN116112096A (zh) * | 2023-04-11 | 2023-05-12 | 易迅通科技有限公司 | 一种参考系无关量子密钥分发方法及系统 |
| CN116155508A (zh) * | 2023-01-10 | 2023-05-23 | 易迅通科技有限公司 | 一种被动诱骗态双场量子数字签名方法 |
| CN116232455A (zh) * | 2023-04-24 | 2023-06-06 | 北京中科国光量子科技有限公司 | 一种免疫信道扰动的测量设备无关量子密钥分发系统 |
| CN117097475A (zh) * | 2023-10-16 | 2023-11-21 | 中山大学 | 基于四态量子通信的安全性分析系统和方法 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106254072A (zh) * | 2016-10-18 | 2016-12-21 | 清华大学 | 一种量子密钥分发系统及方法 |
| CN106533676A (zh) * | 2016-12-22 | 2017-03-22 | 浙江神州量子网络科技有限公司 | 一种基于参考系无关协议的量子密钥分发系统 |
-
2021
- 2021-05-11 CN CN202110508973.6A patent/CN113225184A/zh active Pending
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106254072A (zh) * | 2016-10-18 | 2016-12-21 | 清华大学 | 一种量子密钥分发系统及方法 |
| CN106533676A (zh) * | 2016-12-22 | 2017-03-22 | 浙江神州量子网络科技有限公司 | 一种基于参考系无关协议的量子密钥分发系统 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 周媛媛等: "基于弱相干态光源的非正交编码被动诱骗态量子密钥分配", 《物理学报》, no. 10, 31 October 2011 (2011-10-31), pages 2 * |
Cited By (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113810190B (zh) * | 2021-10-29 | 2023-11-28 | 武汉船舶通信研究所（中国船舶重工集团公司第七二二研究所） | 基于dpsk的量子密钥分发系统、编码器、解码器及方法 |
| CN113810190A (zh) * | 2021-10-29 | 2021-12-17 | 武汉船舶通信研究所（中国船舶重工集团公司第七二二研究所） | 基于dpsk的量子密钥分发系统、编码器、解码器及方法 |
| CN114050868A (zh) * | 2021-11-08 | 2022-02-15 | 北京师范大学 | 基于发或不发方法的量子安全直接通信方法 |
| CN114050868B (zh) * | 2021-11-08 | 2023-01-31 | 北京师范大学 | 基于发或不发方法的量子安全直接通信方法 |
| CN115116564A (zh) * | 2022-07-26 | 2022-09-27 | 之江实验室 | 基于可编程量子计算的反向虚拟筛选平台及方法 |
| CN115276988A (zh) * | 2022-09-27 | 2022-11-01 | 南京大学 | 一种四强度测量设备无关密钥分发方法 |
| CN115276988B (zh) * | 2022-09-27 | 2022-12-09 | 南京大学 | 一种四强度测量设备无关密钥分发方法 |
| CN116155508A (zh) * | 2023-01-10 | 2023-05-23 | 易迅通科技有限公司 | 一种被动诱骗态双场量子数字签名方法 |
| CN116155508B (zh) * | 2023-01-10 | 2024-01-30 | 易迅通科技有限公司 | 一种被动诱骗态双场量子数字签名方法 |
| CN116112096A (zh) * | 2023-04-11 | 2023-05-12 | 易迅通科技有限公司 | 一种参考系无关量子密钥分发方法及系统 |
| CN116232455B (zh) * | 2023-04-24 | 2023-07-21 | 北京中科国光量子科技有限公司 | 一种免疫信道扰动的测量设备无关量子密钥分发系统 |
| CN116232455A (zh) * | 2023-04-24 | 2023-06-06 | 北京中科国光量子科技有限公司 | 一种免疫信道扰动的测量设备无关量子密钥分发系统 |
| CN117097475A (zh) * | 2023-10-16 | 2023-11-21 | 中山大学 | 基于四态量子通信的安全性分析系统和方法 |
| CN117097475B (zh) * | 2023-10-16 | 2024-01-09 | 中山大学 | 基于四态量子通信的安全性分析系统和方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN113225184A (zh) | 一种被动诱骗态调制的参考系无关量子密钥分发系统及方法 | |
| Silberhorn et al. | Quantum key distribution with bright entangled beams | |
| Walk et al. | Security of continuous-variable quantum cryptography with Gaussian postselection | |
| Rusca et al. | Security proof for a simplified Bennett-Brassard 1984 quantum-key-distribution protocol | |
| Ma et al. | Long-distance continuous-variable measurement-device-independent quantum key distribution with discrete modulation | |
| US20130016835A1 (en) | Apparatus and method for distributing a string of secret bits over a quantum channel | |
| CN111865599B (zh) | 一种单诱骗态量子数字签名方法 | |
| Xu et al. | Quantum cryptography with realistic devices | |
| Fung et al. | Security proof of a three-state quantum-key-distribution protocol without rotational symmetry | |
| CN111200493B (zh) | 一种用于相位偏振联合调制qkd的后处理系统及方法 | |
| CN110880970A (zh) | 基于指示单光子源与轨道角动量的量子密钥分配方法 | |
| CN110086614B (zh) | 一种使用标记单光子源的量子数字签名方法 | |
| CN112511303B (zh) | 一种不需要监控信道的量子秘密共享方法及系统 | |
| Wang et al. | Practical long-distance side-channel-free quantum key distribution | |
| CN113347005A (zh) | 一种抗偏振扰动的量子数字签名系统 | |
| CN115834046A (zh) | 一种具有光源监控功能的参考系无关量子密钥分发方法 | |
| CN117879818B (zh) | 一种基于模式配对的量子密钥分发方法及设备 | |
| CN111600706A (zh) | 一种基于量子存储器的量子密钥分发方法 | |
| Funk et al. | Quantum key distribution using nonclassical photon-number correlations in macroscopic light pulses | |
| Tamaki et al. | Security of the Bennett 1992 quantum-key distribution protocol against individual attack over a realistic channel | |
| Yuen et al. | Classical noise-based cryptography similar to two-state quantum cryptography | |
| Li et al. | The Security Analysis of Quantum SAGR04 Protocol in Collective‐Rotation Noise Channel | |
| CN110880956B (zh) | 一种量子物理层保密通信系统 | |
| CN108712254B (zh) | 一种量子密钥分发系统及方法 | |
| CN215072437U (zh) | 一种抗偏振扰动的量子数字签名系统 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20210806 |