CN113438076A - 一种边信道自由的量子密钥分发方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种边信道自由的量子密钥分发方法和系统，属于量子密钥分发技术领域。针对现有技术存在的不足，本发明提出一种边信道自由的量子密钥分发方法和系统，本方案给出的量子密钥分发协议发送端只需要使用弱相干光脉冲，同时测量设备端只需要进行干涉操作，在安全性分析上就可以保证绝对的安全性，本方案满足边信道自由的(side‑channel‑free)的性质，对发送端设备的不完美具有兼容性，同时，本方案既不需要对传输的信道进行监控，也具有测量设备无关的性质。在此基础上，本方案提高了密钥的传输抗噪性，密钥成码率与传输距离。

Description

一种边信道自由的量子密钥分发方法和系统

技术领域

本发明涉及量子密钥分发技术领域，尤其涉及一种边信道自由的量子密钥分发方法和系统。

背景技术

量子密钥分发基于量子力学基本原理能够提供绝对安全的双方通信，解决了经典密钥分发基于计算复杂度容易被破解的安全性漏洞。如今，量子密钥分发在理论和实验都取得了广泛地研究进展。部分量子密钥分发协议已经进入实用化领域。

然而，对于现阶段提出的量子密钥分发协议而言，需要对可信发送端发送的信号态进行严格的参数控制，如果发送端发送的信号态和理论上设定的信号态并不完美契合，将会导致额外的不可监控的信息泄露，影响量子密钥分发协议的安全性。例如，基于BB84协议的量子密钥分发需要在对用于编码的光脉冲的偏振方向进行严格控制，此时若每次发送的光脉冲的频谱不一致，那么窃听者可以通过频谱对发送信号态进行区分，从而在不引起额外错误的情况下进行窃听，严重影响量子密钥分发协议的安全性，这一效应被称作边信道效应(side channel effects)。由于实际使用的发送设备无法达到理论上要求的对发送信号态的严格控制，因此边信道效应广泛存在于所有量子密钥分发系统中。因此，提出一种边信道自由的量子密钥分发方法和系统对量子密钥分发的实用化具有很重大的意义。

发明内容

发明目的：针对上述现有协议中所存在的不足，本发明提出一种边信道自由的量子密钥分发方法和系统。

本方案给出的量子密钥分发协议发送端只需要使用弱相干光脉冲，同时测量设备端只需要进行干涉操作，在安全性分析上就可以保证绝对的安全性，本方案满足边信道自由(side-channel-free)的性质，对发送端设备的不完美具有兼容性。同时，本方案既不需要对传输的信道进行监控，也具有测量设备无关的性质。在此基础上，本方案提高了密钥的传输抗噪性，密钥成码率与传输距离。

技术方案：为实现上述目的，本发明提出的技术方案如下：

一种边信道自由的量子密钥分发方法，所述方法包括以下步骤：

(1)第一发送端与第二发送端分别制备光强相同的弱相干光脉冲作为信号态，对于发送端发送的弱相干光脉冲的光强只需要设定一个光强的上界，在发送端发送的弱相干光脉冲的光强低于事先设定的某一个值的情况下都可以保证成码的绝对安全；并分别对所述信号态进行随机相位调制与编码相位调制，设为φ₁与φ₂分别对应第一发送端与第二发送端信号态的随机相位，设为ψ₁与ψ₂分别对应第一发送端与第二发送端信号态的编码相位，之后将制备的信号态发送给中间的测量设备端；

(2)中间测量设备端对两个发送端发送的信号态进行干涉测量并选择有且仅有一个探测器响应的时刻作为有效时刻，记录下响应的探测器和响应发生的时间；

(3)重复进行步骤(1)和步骤(2)多次，分发完成后测量设备端公布自己记录下的有效时刻响应的探测器与响应时刻，之后发送端公布各自的随机相位调制。两个发送端根据测量设备端公布的数据与各自公布的随机相位数据形成各自的原始密钥串；

(4)发送端随机选取原始密钥串中的一部分公布进行安全码率的估计，所公布的部分数据在公布后被舍弃不用于成码，若所估计的增益与量子比特错误率符合成码的要求，则继续协议，否则放弃协议并重新进行步骤(1)至步骤(3)；

(5)两个发送端进行纠错与隐私放大并生成最终的安全密钥。

进一步的，所述步骤(1)中，采用相位编码的方式，其中发送端随机相位调制使用随机数发生器产生，取[0,2π)范围内的任意值，而编码相位的选择取自有限集合{0,π}，分别对应发送端处的经典比特0和1。经过光衰减单元将弱相干光光源发送给测量设备端。

进一步的，所属步骤(1)中，本方案不需要发送端对相位调制的严格控制，允许不同程度的相位调制的偏差。

进一步的，所述步骤(2)中，测量设备端将对两个发送端的弱相干光脉冲进行干涉，测量某时刻接收到的来自两个发送端的弱相干光脉冲的相位差是0还是π，分别对应于不同探测器的响应，不妨设相位差为0时第一探测器响应，相位差为π时第二探测器响应。测量设备端取只有一个探测器响应的时刻为有效时刻，记录下响应的探测器与响应的时刻。本方案为测量设备无关，即除了发送端之外不需要设定测量设备端为可信方，或者说，可以认为测量设备端为窃听者。

进一步的，所述步骤(3)中，测量设备端会对有效时刻的探测器与响应时刻进行公布，两个发送端根据有效时刻自己持有的经典比特形成各自最初的原始密钥串；同时，如果测量设备端公布的是第二探测器响应的时刻，第二发送端会对自己相应时刻的经典比特进行本地的比特翻转。

进一步的，所述步骤(3)中，在根据测量设备端公布的信息形成最初的原始密钥串之后，两个发送端还需要公布自己的随机相位选取，当φ₁-φ₂＝0时，两个发送端将此有效时刻各自形成的经典比特归入原始密钥串；当|φ₁-φ₂|＝0时，第二发送端需要将对自己相应有效时刻的经典比特进行比特翻转，其余时刻发送端舍弃该有效时刻的经典比特，其中φ₁表示第一发送端信号态的随机相位，φ₂表示第二发送端信号态的随机相位。在这之后才形成最终的原始密钥串，并进行接下来的步骤。

进一步的，与上述随机相位对应，分别设n₁与n₂分别对应发送端选取的相位数中的n,对于每次完整的量子密钥分发过程，发送端随机选取一个n_d∈{n|n＝0,1,2…M-1}，M表示设定的正整数，在步骤(3)中，两个发送端只需要公布自己所选择的n₁与n₂即可，第二发送端根据|n₂+n_d-n₁|的结果进行比特翻转，如果|n₂+n_d-n₁|mod M的余数为0时，第二发送端不进行任何操作形成该有效时刻的原始比特；如果|n₂+n_d-n₁|mod M的余数为M/2，第二发送端对自己该有效时刻的经典比特进行比特翻转形成原始比特，其余情况发送端舍弃该有效时刻的经典比特。

进一步的，所述步骤(4)中，对于安全码率的估计包括：计算整个步骤(1)到步骤(3)形成原始密钥串的比特错误率E_μ与对窃听者可获取的关于原始密钥的信息量的估计。比特错误率可以通过发送端所选择公布的一部分原始密钥串计算，窃听者所获取的信息量则根据发送端的信号态情况进行预测。在安全码率估计与隐私放大过程中对窃听者所获取的信息量只与发送端发送的信号态情况有关，与信号态在传输过程中的情况无关，也就是本方案不需要进行信道中信号态的监控。

另外，本发明还提出一种边信道自由的量子密钥分发系统，用于实现上述的方法，该系统包括发送端、测量设备端和连接相应两端的光纤，具体来说：

所述发送端包括相干光光源与调制模块，相干光光源用于产生相干光脉冲，调制模块包括相位调制单元，随机数发生器与光衰减单元，随机数发生器和相位调制单元用于对相干光脉冲进行随机相位调制与编码相位调制，光衰减单元用于产生弱相干光脉冲；所述测量设备端包括干涉模块与测量模块，其中，干涉模块用于对接收的弱相干光脉冲进行干涉，测量模块包括两个探测器，用于对干涉测量的结果进行相应的响应。

进一步的，为了符合实验情况的要求，所述发送端的随机数发生器产生的随机相位调制将从如下预设的相位数集合中选择一个相位数，并根据选择的相位数调制相干态脉冲的随机相位，所述集合为

集合元素数为M。

相比于现有方案，本发明具有以下有益效果：

(1)符合边信道自由(side-channel-free)的条件：在本方案中，不需要对发送端发送的信号态进行严格的要求，只需要设定发送的弱相干光脉冲光强的上界，同时对相位调制也能够允许发送端实验设备引起的任何波动。

(2)不需要发送诱骗态：本发明对所使用的安全性分析进行优化，移除了需要使用诱骗态的条件，简化了实验发送端的实验设备要求。

(3)抗噪性提升：本发明中，密钥的生成过程对窃听者获取信息的估计与信号态在传输过程中的任何情况无关，移除了需要进行信道监控的要求，极大提高了系统的抗噪性。

(4)测量设备无关：本方案的密钥生成过程与中间的测量设备端可信与否无关，可以设定测量设备端即窃听者可能保证本方案的安全性。

(5)提高传输距离与成码率：本发明基于上述优势，提高了密钥传输的距离，在远距离传输量子密钥的情况下仍可获得较高的成码率。

(6)协议设备简单，较为实用：基于上述优点，本方案对实际操作具有极高的适配性与较强的实用性。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为本发明具体实施方式的结构示意图；

图3为本发明实施例一的结构示意图。

具体实施方式

应当理解的是，本发明可以以各种形式实施，以下在附图中出示并且在下文中描述的一些示例性和非限制性实施例，并不意图将本发明限制于所说明的具体实施例。在技术上可行的情况下，以上针对不同实施例所列举的技术特征可以相互组合，从而形成本发明范围内的另外的实施例。此外，本发明所述的特定示例和实施例是非限制性的，并且可以对以上所阐述的结构、步骤、顺序做出相应修改而不脱离本发明的保护范围。

如图1所示，本发明提出了一种边信道自由的量子密钥分发方法，该方法应用于如图2所示的系统，包括以下步骤：

(1)发送端分别制备

与

的弱相干光脉冲并发送给接收端，其中

分别对应n₁与n₂；ψ₁,ψ₂∈{πk|k＝0,1}，分别对应各自的经典比特k₁与k₂；

μ为光强。由于本方案不需要发送端对相位调制的严格控制，因此允许发送端一和发送端二对于相位调制存在偏差；同时，对于发送端发送的弱相干光脉冲的光强而言，μ同时为设定的光强上界，发送端只需要控制发送的弱相干光脉冲的光强低于μ即可保证成码的绝对安全。

(2)中间测量设备端对两个发送端发送的信号态进行干涉测量并选择有且仅有一个探测器响应的时刻作为有效时刻，记录下响应的探测器和响应发生的时间。

(3)重复进行步骤(1)和步骤(2)多次直至完成原始密钥串的分发，分发完成后测量设备端公布自己记录下的有效时刻响应的探测器与响应时刻，同时发送端公布各自的随机相位调制。两个发送端根据测量设备端公布的数据与各自公布的随机相位数据形成各自的原始密钥串。具体规则为：首先，测量设备端会对有效时刻的探测器与响应时刻进行公布，两个发送端根据有效时刻自己持有的经典比特形成各自最初的原始密钥串；同时，如果测量设备端公布的是探测器二响应的时刻，发送端二会对自己相应时刻的经典比特进行本地的比特翻转。

对于每次完整的量子密钥分发过程，发送端随机选取一个n_d∈{n|n＝0,1,2…M-1}，两个发送端只需要公布自己所选择的n₁与n₂即可，发送端二根据|n₂+n_d-n₁|的结果进行比特翻转，如果|n₂+n_d-n₁|mod M的余数为0时，发送端二不进行任何操作形成该有效时刻的原始比特；如果|n₂+n_d-n₁|mod M的余数为M/2，发送端二对自己该有效时刻的经典比特进行比特翻转形成原始比特，其余情况发送端舍弃该有效时刻的经典比特。

(4)发送端随机选取原始密钥串中的一部分公布进行安全码率的估计，所公布的部分数据在公布后被舍弃不用于成码，若所估计的增益与量子比特错误率符合成码的要求，则继续协议，否则放弃协议并重新进行步骤(1)至步骤(3)。

(5)最后，发送端和接收端将进行纠错和隐私放大并生成最终的安全密钥。

具体来说，步骤(4)中，对于安全码率的估计包括：计算整个步骤(1)到步骤(3)形成原始密钥串的比特错误率E_μ与对窃听者可获取的关于原始密钥的信息量的估计。比特错误率可以通过发送端所选择公布的一部分原始密钥串计算，窃听者所获取的信息量则根据发送端的信号态情况进行预测。

下面结合1个实施例对上述系统进行进一步阐述。

实施例一：

本实施例提出的一种边信道自由的量子密钥分发系统，如图3所示，包括两个发送端与一个测量设备端。

发送端包括相干光光源与调制模块，相干光光源用于产生相干光脉冲，调制模块包括相位调制单元，随机数发生器与光衰减单元，随机数发生器和相位调制单元用于对相干光脉冲进行随机相位调制与编码相位调制，光衰减单元用于产生弱相干光脉冲；所述测量设备端包括干涉模块与测量模块，其中，干涉模块用于对接收的弱相干光脉冲进行干涉，测量模块包括两个探测器，用于对干涉测量的结果进行相应的响应。

上述量子密钥分发系统的实施步骤如下：

步骤一：发送端分别制备

与

的弱相干光脉冲并通过一个不安全的量子信道将其发送给接收端，其中

分别对应n₁与n₂；ψ₁,ψ₂∈{πk|k＝0,1}，分别对应各自的经典比特k₁与k₂；

μ为光强。由于本方案不需要发送端对相位调制的严格控制，因此允许发送端一和发送端二对于相位调制存在偏差；同时，对于发送端发送的弱相干光脉冲的光强而言，μ同时为设定的光强上界，发送端只需要控制发送的弱相干光脉冲的光强低于μ即可保证成码的绝对安全。

步骤二：中间测量设备端对两个发送端发送的信号态进行干涉测量并选择有且仅有一个探测器响应的时刻作为有效时刻，记录下响应的探测器和响应发生的时间。

步骤三：重复进行步骤(1)和步骤(2)多次直至完成原始密钥串的分发，分发完成后测量设备端公布自己记录下的有效时刻响应的探测器与响应时刻，同时发送端公布各自的随机相位调制。两个发送端根据测量设备端公布的数据与各自公布的随机相位数据，按照上述具体规则形成各自的原始密钥串。

步骤四：发送端随机选取原始密钥串中的一部分公布进行安全码率的估计，所公布的部分数据在公布后被舍弃不用于成码，若所估计的增益与量子比特错误率符合成码的要求，则继续协议，否则放弃协议并重新进行步骤(1)至步骤(3)。

步骤五：最后，发送端和接收端将进行纠错和隐私放大并生成最终的安全密钥。

综上所述，本发明的技术方案符合边信道自由的(side-channel-free)的条件，不需要对发送端发送的信号态进行严格的要求，只需要设定发送的弱相干光脉冲光强的上界，同时对相位调制也能够允许发送端实验设备引起的任何波动。同时本方案移除了需要使用诱骗态的条件，简化了实验发送端的实验设备要求。同时，本方案的密钥的生成过程对窃听者获取信息的估计与信号态在传输过程中的任何情况无关，移除了需要进行信道监控的要求，极大提高了系统的抗噪性。此外，本方案的密钥生成过程与中间的测量设备端可信与否无关，可以设定测量设备端即窃听者可能保证本方案的安全性。本方案基于上述优势，提高了密钥传输的距离，在远距离传输量子密钥的情况下仍可获得较高的成码率。同时，基于上述优点，本方案对实际操作具有极高的适配性与较强的实用性。

Claims (10)

1.一种边信道自由的量子密钥分发方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)第一发送端与第二发送端分别制备光强相同的弱相干光脉冲作为信号态，对于所述弱相干光脉冲的光强，只需要设定一个光强的上界，并分别对所述信号态进行随机相位调制和编码相位调制，之后将制备的信号态发送给测量设备端；

(2)测量设备端对两个发送端发送的信号态进行干涉测量并选择有且仅有一个探测器响应的时刻作为有效时刻，记录下响应的探测器和响应发生的时间；

(3)重复进行步骤(1)和步骤(2)多次，分发完成后测量设备端公布自己记录下的有效时刻响应的探测器与响应时刻，之后发送端公布各自的随机相位调制；两个发送端根据测量设备端公布的数据与各自公布的随机相位数据形成各自的原始密钥串；

(4)发送端随机选取原始密钥串中的一部分公布进行安全码率的估计，所述公布的部分数据在公布后被舍弃不用于成码，若所估计的增益与量子比特错误率符合成码的要求，则继续协议，否则放弃协议并重新进行步骤(1)至步骤(3)；

(5)两个发送端进行纠错与隐私放大并生成最终的安全密钥。

2.根据权利要求1所述的一种边信道自由的量子密钥分发方法，其特征在于，所述步骤(1)中，采用相位编码的方式，其中发送端随机相位调制使用随机数发生器产生，取[0,2π)范围内的任意值，而编码相位的选择取自有限集合{0,π}，分别对应发送端处的经典比特0和1。

3.根据权利要求2所述的一种边信道自由的量子密钥分发方法，其特征在于，所述步骤(1)中，发送端不对相位调制进行严格控制，允许不同程度的相位调制的偏差。

4.根据权利要求1所述的一种边信道自由的量子密钥分发方法，其特征在于，所述步骤(2)中，测量设备端对两个发送端的弱相干光脉冲进行干涉，测量所述两个弱相干光脉冲的相位差是0还是π，分别对应于不同探测器的响应；测量设备端取只有一个探测器响应的时刻为有效时刻，记录下响应的探测器与响应的时刻。

5.根据权利要求1所述的一种边信道自由的量子密钥分发方法，其特征在于，所述步骤(3)中，测量设备端对有效时刻的探测器与响应时刻进行公布，两个发送端根据有效时刻自己持有的经典比特形成各自最初的原始密钥串；同时，如果测量设备端公布的是第二探测器响应的时刻，第二发送端对自己相应时刻的经典比特进行本地的比特翻转。

6.根据权利要求5所述的一种边信道自由的量子密钥分发方法，其特征在于，所述步骤(3)中，在根据测量设备端公布的信息形成最初的原始密钥串之后，两个发送端公布自己的随机相位选取，当φ₁-φ₂＝0时，两个发送端将此有效时刻各自形成的经典比特归入原始密钥串，当|φ₁-φ₂|＝0时，第二发送端将对自己相应有效时刻的经典比特进行比特翻转，其余时刻发送端舍弃该有效时刻的经典比特，其中φ₁表示第一发送端信号态的随机相位，φ₂表示第二发送端信号态的随机相位。

7.根据权利要求6所述的一种边信道自由的量子密钥分发方法，其特征在于，与所述随机相位对应，设n₁与n₂分别对应发送端选取的相位数中的n，对于每次完整的量子密钥分发过程，发送端随机选取一个相位数n_d∈{n|n＝0,1,2…M-1}，M表示正整数，在步骤(3)中，两个发送端只需要公布自己所选择的n₁与n₂即可，第二发送端根据|n₂+n_d-n₁|的结果进行比特翻转，如果|n₂+n_d-n₁|mod M的余数为0时，第二发送端不进行任何操作形成该有效时刻的原始比特；如果|n₂+n_d-n₁|mod M的余数为M/2，第二发送端对自己该有效时刻的经典比特进行比特翻转形成原始比特，其余情况发送端舍弃该有效时刻的经典比特。

8.根据权利要求1所述的一种边信道自由的量子密钥分发方法，其特征在于，所述步骤(4)中，对于安全码率的估计包括：计算步骤(1)到步骤(3)形成原始密钥串的比特错误率与对窃听者可获取的关于原始密钥的信息量的估计；所述比特错误率通过发送端所选择公布的一部分原始密钥串计算，所述窃听者所获取的信息量则根据发送端的信号态情况进行预测。

9.一种边信道自由的量子密钥分发系统，其特征在于，用于实现权利要求1-8所述的方法，该系统包括发送端、测量设备端和连接相应两端的光纤；

所述发送端包括相干光光源与调制模块，所述相干光光源用于产生相干光脉冲，所述调制模块包括相位调制单元，随机数发生器与光衰减单元；所述随机数发生器和相位调制单元用于对相干光脉冲进行随机相位调制与编码相位调制，所述光衰减单元用于产生弱相干光脉冲；所述测量设备端包括干涉模块与测量模块，所述干涉模块用于对接收的弱相干光脉冲进行干涉，所述测量模块包括两个探测器，用于对干涉测量的结果进行相应的响应。

10.根据权利要求9所述的一种边信道自由的量子密钥分发系统，其特征在于，所述发送端的随机数发生器产生的随机相位调制从如下预设的相位数集合中选择一个相位数，并根据选择的相位数调制相干态脉冲的随机相位，所述集合为

集合元素数为M。

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