CN114285549B - 一种基于修正相干态光源的双扫描4强度mdi-qkd方法和系统 - Google Patents
一种基于修正相干态光源的双扫描4强度mdi-qkd方法和系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种基于修正相干态光源的双扫描4强度MDI‑QKD方法和系统，发送方利用修正相干态光源调制并发送多个光脉冲，在发送光脉冲时，以一定概率随机调制成不同的量子态，对其中的真空态和诱骗态参数进行数值限制，对信号态参数不进行限制；测量方对接收到的光脉冲进行贝尔态测量并公布测量结果；发送方接收公布的测量结果，对自己的比特进行筛选，对筛选后的比特串进行后处理，得到最终密钥；本发明采用修正相干态光源，且在发送信号态和诱骗态时，合理地设置不同的参数，能够获得更高概率的单光子事件而获得更高的密钥率。
Description
技术领域
本发明属于量子保密通信技术领域，具体涉及一种基于修正相干态光源的双扫描4强度MDI-QKD方法和系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
测量设备无关量子密钥分发(MDI-QKD)系统可以防御任何探测端的侧信道攻击，且容易结合使用诱骗态方法，具有广阔的应用前景。但在实际应用中，诱骗态MDI-QKD系统的密钥率受有限码长效应影响随距离的增加下降很快。
近些年来许多研究致力于提高系统的密钥率和成码距离，并且取得了可观的成绩。为了提高系统的密钥率，许多的改进方案被提出，如全局最优化方法、联合约束方法、4强度诱骗态方法、双扫描4强度诱骗态方法等，其中4强度诱骗态方法可以提升几个数量级的密钥率而成为主流方法。但由于现有的广泛使用的弱相干态(WCS)光源的单光子率较低，使用该光源的系统的成码率受到了天然的限制。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种基于修正相干态光源的双扫描4强度MDI-QKD方法和系统，通过采用修正相干态(MCS)光源，且在发送信号态和诱骗态时，合理地设置不同的参数，能够获得更高概率的单光子事件而获得更高的密钥率。
根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：
一种基于修正相干态光源的双扫描4强度MDI-QKD方法，包括以下步骤：
发送方利用修正相干态光源调制并发送多个光脉冲，在发送光脉冲时，以一定概率随机调制成不同的量子态，对其中的真空态和诱骗态参数进行数值限制，对信号态参数不进行限制；
测量方对接收到的光脉冲进行贝尔态测量并公布测量结果；
发送方接收公布的测量结果，对自己的比特进行筛选，对筛选后的比特串进行后处理，得到最终密钥。
一种基于修正相干态光源的双扫描4强度MDI-QKD方法，从发送方而言，包括以下步骤：
利用修正相干态光源调制并发送多个光脉冲，在发送光脉冲时，以一定概率随机调制成不同的量子态，对其中的真空态和诱骗态参数进行数值限制，对信号态参数不进行限制；
接收公布的测量结果，对自己的比特进行筛选；
对筛选后的比特串进行后处理，得到最终密钥。
作为可选择的实施方式，所述发送方有两个，且各发送的光脉冲光子频率相同。
作为可选择的实施方式，所述量子态包括相应发送方的真空态、X基矢下的第一诱骗态和第二诱骗态以及Z基矢下的信号态。
作为可选择的实施方式，对其中的真空态和诱骗态参数进行数值限制的具体过程包括设置两个发送方的真空态的特征参数ξ和c均为零；
设置每个发送方各自的第一诱骗态和第二诱骗态的特征参数c均相同，且为定值；
设置每个发送方各自第一诱骗态的特征参数ξ小于第二诱骗态的特征参数ξ。
作为可选择的实施方式，对自己的比特进行筛选的具体过程包括：保留有效响应的测量结果下的数据，丢弃其它数据；进行基矢比对，保留双方都选择Z基矢时对应的数据，得到一串比特，用于生成原始密钥，其它数据用于诱骗态估计；
作为可选择的实施方式，得到最终密钥的后处理过程包括：对筛选后的比特串进行单光子计数率估计、相位翻转误码率估计、纠错、双扫描和保密放大等。
作为可选择的实施方式，测量方包括分束器，与分束器连接的两个单光子探测器，对分束器处发生的双光子干涉结果进行测量。
作为可选择的实施方式，当测量设备无关量子密钥分发为相位编码方式时，所述测量方还包括分束器之前设置的，与一发送方依次连接的电控偏振控制器和偏振分束器。
作为可选择的实施方式，当测量设备无关量子密钥分发为偏振编码方式时，测量方还包括设置于分束器之后的两个偏振分束器和四个单光子探测器，每两个单光子探测器分别与一偏振分束器连接。
一种基于修正相干态光源的双扫描4强度MDI-QKD系统，包括两个发送方和一测量方，所述发送方结构一致，均为修正相干态光源，用于向所述测量方发送光脉冲；
所述发送方被配置为在发送光脉冲时，以一定概率随机调制成不同的量子态，对其中的真空态和诱骗态参数进行数值限制，对信号态参数不进行限制；接收测量方公布的测量结果，对自己的比特进行筛选，对筛选后的比特串进行后处理，得到最终密钥；
所述测量方用于对接收到的光脉冲进行贝尔态测量，并公布测量结果。
作为可选择的实施方式，所述发送方的量子态包括相应发送方的真空态、X基矢下的第一诱骗态和第二诱骗态以及Z基矢下的信号态。
作为可选择的实施方式，所述发送方被配置为对其中的真空态和诱骗态参数进行数值限制的具体过程包括设置两个发送方的真空态的特征参数ξ和c均为零；
设置每个发送方各自的第一诱骗态和第二诱骗态的特征参数c均相同，且为定值；
设置每个发送方各自第一诱骗态的特征参数ξ小于第二诱骗态的特征参数ξ。
作为可选择的实施方式，所述发送方被配置为保留有效响应的测量结果下的数据，丢弃其它数据；进行基矢比对，保留双方都选择Z基矢时对应的数据，得到一串比特，用于生成原始密钥，其它数据用于诱骗态估计；
作为可选择的实施方式，所述发送方被配置为对筛选后的比特串进行单光子计数率估计、相位翻转误码率估计、纠错、双扫描和保密放大等后处理过程，得到最终密钥。
作为可选择的实施方式，所述测量方包括分束器，与分束器连接的两个单光子探测器，对分束器处发生的双光子干涉结果进行测量。
作为进一步的限定，所述测量方还包括分束器之前设置的，与一发送方依次连接的电控偏振控制器和偏振分束器。
作为进一步的限定，所述测量方还包括设置于分束器之后的两个偏振分束器和四个单光子探测器，每两个单光子探测器分别与一偏振分束器连接。
一种终端设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行上述方法的步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明基于修正相干态光源，且对其进行参数优化，在发送信号态和诱骗态时，合理地设置不同的参数c，可获得更高概率的单光子事件而获得更高的密钥率，相对于WCS光源系统，该系统可使得密钥率提高1-2个数量级，安全传输距离可提高40km左右。
本发明适用范围广泛，可适用于相位编码或偏振编码等各类MDI-QKD系统。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为实施例一的双扫描4强度MDI-QKD系统结构图；
图2为实施例二的双扫描4强度MDI-QKD系统Charlie结构图；
图3为实施例一的至少一个实施例的采用传统WCS光源、MCS光源和改进的MCS光源MDI-QKD系统密钥率模拟对比图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
首先，进行必要的背景技术说明：传统的WCS光源的光子数服从泊松分布，对密钥率产生贡献的单光子事件概率比较低，因此MCS光源被提出并使用。MCS光源在光子数空间的密度矩阵是与特征参数ξ和c有关的表达形式，参数ξ为正比于泵浦光场强度的量，参数c为光场压缩度相关的量：
其中|n><n|表示n光子态，Pn表示n光子态的概率，可表示为：
其中Hn(x)表示n阶厄米多项式。通过设置特征参数c，可实现不同程度的量子干涉效应而将特定的多光子数事件消除掉(如c＝1时，双光子事件会被消除掉；c＝3时，三光子事件会被消除掉)，从而使光子数不再服从泊松分布，同时提高了单光子事件的概率，这将很大程度地提高MDI-QKD的密钥率。但是传统上采用的MCS光源，在发送信号态和诱骗态时设置的参数c都是相同的，且其未和双扫描方法相结合，这限制了密钥率的提高。
本发明提供了一种基于修正相干态光源的双扫描4强度MDI-QKD系统及方法，解决了上述问题。
下面结合实施例进行详细说明：
实施例一：
如图1所示，一种基于修正相干态光源的双扫描4强度MDI-QKD系统，包括Alice、Bob和Charlie三部分，其中Alice和Bob作为发送方，具有完全一致的结构，同时向第三方Charlie发射光脉冲。Charlie作为测量方，对收到的光脉冲对进行测量，Charlie也可以是不可信的窃听者(Eve)。本方案适用于相位编码系统。
本系统的工作流程包括：
(1)Alice和Bob的MCS光源在发射光子时，需保证两边的单光子具有相同的频率，使到达Charlie处的两个光子产生干涉。在本实施例中，可采用两边激光器的锁频技术来实现。
(2)Alice和Bob的MCS光源分别调制并发送N个光脉冲，两端的光脉冲分别以概率和/>被随机地调制成4种不同的量子态，分别为Alice端真空态oA(Bob端真空态oB)、X基矢下的第一诱骗态xA(xB)和第二诱骗态yA(yB)以及Z基矢下的信号态zA(zB)。则Alice和Bob的光子数空间的密度矩阵可分别表示为：
其中lA，l＝o,x,y,z表示Alice选择的量子态，rB，r＝o,x,y,z表示Bob选择的量子态，Alice和Bob针对自己要发送的强度态，需将特征参数ξ和c设置为：
但是对于和/>不做任何限制。
本实施例中，对采用传统WCS光源、传统MCS光源和改进的MCS光源MDI-QKD系统密钥率进行了数值模拟，如图3所示。当采用传统WCS光源时，系统密钥率曲线如短虚线所示；当采用传统MCS光源时，均中设定cx＝cz＝1，密钥率曲线如长虚线所示；而采用改进的MCS光源时，只设定cx＝1，而对cz不做任何限制，密钥率曲线如实线所示，可见改进后的MCS光源系统密钥率比传统MCS光源系统的密钥率更高，且比传统WCS光源系统密钥率提高了1-2个数量级，安全传输距离可提高40km左右。
(3)Alice和Bob端被调制完成的单光子经过相等距离的链路后，在Charlie的分束器BS处发生双光子干涉后，Charlie进行贝尔态测量。Charlie采用两个单光子探测器SPD对干涉结果进行测量，且需在Charlie的分束器BS之前的加入电控偏振控制器EPC和偏振分束器PBS分别用来将两个光子的偏振状态调节一致，以保证干涉效应达到最强，并降低误码率。
(4)Charlie测量完成后，对Alice和Bob公布自己的测量结果。
(5)Alice和Bob保留有效响应的测量结果下的数据，丢弃其它数据。
(6)Alice和Bob进行基矢比对，保留双方都选择Z基矢时对应的数据，得到一串比特，用于生成原始密钥，其它数据用于诱骗态估计。
(7)然后Alice和Bob对该比特串进行后处理，包括单光子计数率估计、相位翻转误码率估计、纠错、双扫描和保密放大等过程，得到最终密钥，密钥率可表示为：
该公式的含义是采用双扫描方法，在区间和/>上进行扫描将/>的最小值作为最终密钥率。其中，/>表示特定参数/>和下的密钥率，可表示为：
其中，Ezz＝zz/Szz，表示Alice和Bob都发送zz态下的有效探测事件的比特翻转误码率；h(x)＝-xlog2(x)-(1-x)log2(1-x)表示香农熵；f为纠错效率；εcor表示纠错的失效概率；εPA保密放大的失效概率；ε′和为分别使用平滑最小熵链式规则和最大熵链式规则时候的系数；/>和/>分别为zz态下的单光子计数率下限和对应的相位翻转误码率上限，根据切尔诺夫界，可分别表示为：
其中OL(Y)＝[1+δ′1(Y)]Y和OU(Y)＝[1-δ′2(Y)]Y分别为根据期望值Y而得到的实际观测值下限和上限；Nzz为Alice和Bob发送zz态时的有效探测事件个数；为单光子计数率的期望值下限，/>为Z基矢下的单光子的相位翻转误码率上限，数值上等于X基矢下的单光子的比特翻转误码率上限<e11>U，即/>其中/> 其中计数率/>相应的期望值/>错误比特计数率/>相应的期望值nlr代表Alice和Bob使用lr态时的有效计数，mlr代表相应态的错误计数；下限和上限值<S+>L和<S_>U、/>和/>和/>可通过联合约束方法和切尔诺夫界得到。
实施例二：
本实施例与实施例一的不同在于：
如图2所示，对于偏振编码系统，测量方Charlie的分束器BS处发生双光子干涉后，Charlie进行贝尔态测量，且在分束器BS之后采用两个偏振分束器PBS和四个单光子探测器SPD，对四个偏振态进行干涉测量。
实施例三：
一种基于修正相干态光源的双扫描4强度MDI-QKD方法，从发送方来看，包括以下步骤：
利用修正相干态光源调制并发送多个光脉冲，在发送光脉冲时，以一定概率随机调制成不同的量子态，对其中的真空态和诱骗态参数进行数值限制，对信号态参数不进行限制；
接收公布的测量结果，对自己的比特进行筛选；
对筛选后的比特串进行后处理得到最终密钥。
具体的，所述发送方有两个，且各发送的光脉冲光子频率相同。
具体的，所述量子态包括相应发送方的真空态、X基矢下的第一诱骗态和第二诱骗态以及Z基矢下的信号态。
具体的，对其中的真空态和诱骗态参数进行数值限制的具体过程包括设置两个发送方的真空态的特征参数ξ和c均为零；
设置每个发送方各自的第一诱骗态和第二诱骗态的特征参数c均相同，且为定值；
设置每个发送方各自第一诱骗态的特征参数ξ小于第二诱骗态的特征参数ξ。
具体的，对自己的比特进行筛选的具体过程包括：保留有效响应的测量结果下的数据，丢弃其它数据；进行基矢比对，保留双方都选择Z基矢时对应的数据，得到一串比特，用于生成原始密钥，其它数据用于诱骗态估计。
具体的，得到最终密钥的后处理过程包括：对筛选后的比特串进行单光子计数率估计、相位翻转误码率估计、纠错、双扫描和保密放大等。
实施例四：
一种终端设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行实施例三的方法的步骤。
实施例五：
一种基于修正相干态光源的双扫描4强度MDI-QKD方法，从测量方而言，包括以下步骤：
接收由修正相干态光源调制并发送的多个对其中的真空态和诱骗态参数进行数值限制，对信号态参数不进行限制的光脉冲；
对接收到的光脉冲进行贝尔态测量并公布测量结果。
实施例六：
一种终端设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行实施例五的方法的步骤。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种基于修正相干态光源的双扫描4强度MDI-QKD方法，其特征是：包括以下步骤：
发送方利用修正相干态光源调制并发送多个光脉冲，在发送光脉冲时，以一定概率随机调制成不同的量子态，对其中的真空态和诱骗态参数进行数值限制，对信号态参数不进行限制；
测量方对接收到的光脉冲进行贝尔态测量并公布测量结果；
发送方接收公布的测量结果，对自己的比特进行筛选，对筛选后的比特串进行后处理得到最终密钥；
对其中的真空态和诱骗态参数进行数值限制的具体过程包括设置两个发送方的真空态的特征参数ξ和c均为零，设置每个发送方各自的第一诱骗态和第二诱骗态的特征参数c均相同，且为定值，设置每个发送方各自第一诱骗态的特征参数ξ小于第二诱骗态的特征参数ξ。
2.如权利要求1所述的一种基于修正相干态光源的双扫描4强度MDI-QKD方法，其特征是：当测量设备无关量子密钥分发为相位编码方式时，所述测量方还包括分束器之前设置的，与一发送方依次连接的电控偏振控制器和偏振分束器；
或，当测量设备无关量子密钥分发为偏振编码方式时，测量方还包括设置于分束器之后的两个偏振分束器和四个单光子探测器，每两个单光子探测器分别与一偏振分束器连接。
3.一种基于修正相干态光源的双扫描4强度MDI-QKD方法，从发送方而言，其特征是：包括以下步骤：
利用修正相干态光源调制并发送多个光脉冲，在发送光脉冲时，以一定概率随机调制成不同的量子态，对其中的真空态和诱骗态参数进行数值限制，对信号态参数不进行限制；
接收公布的测量结果，对自己的比特进行筛选；
对筛选后的比特串进行后处理，得到最终密钥；
对其中的真空态和诱骗态参数进行数值限制的具体过程包括设置两个发送方的真空态的特征参数v和c均为零，设置每个发送方各自的第一诱骗态和第二诱骗态的特征参数c均相同，且为定值，设置每个发送方各自第一诱骗态的特征参数ξ小于第二诱骗态的特征参数ξ。
4.如权利要求1或3所述的一种基于修正相干态光源的双扫描4强度MDI-QKD方法，其特征是：所述量子态包括相应发送方的真空态、X基矢下的第一诱骗态和第二诱骗态以及Z基矢下的信号态。
5.如权利要求1或3所述的一种基于修正相干态光源的双扫描4强度MDI-QKD方法，其特征是：保留有效响应的测量结果下的数据，丢弃其它数据；进行基矢比对，保留双方都选择Z基矢时对应的数据，得到一串比特，用于生成原始密钥，其它数据用于诱骗态估计；
或进一步的，得到最终密钥的后处理过程包括：对筛选后的比特串进行单光子计数率估计、相位翻转误码率估计、纠错、双扫描和保密放大。
6.一种基于修正相干态光源的双扫描4强度MDI-QKD系统，其特征是：包括两个发送方和一测量方，所述发送方结构一致，均为修正相干态光源，用于向所述测量方发送光脉冲；
所述发送方被配置为在发送光脉冲时，以一定概率随机调制成不同的量子态，对其中的真空态和诱骗态参数进行数值限制，对信号态参数不进行限制；接收测量方公布的测量结果，对自己的比特进行筛选，对筛选后的比特串进行后处理，得到最终密钥；
所述测量方用于对接收到的光脉冲进行贝尔态测量，并公布测量结果；
对其中的真空态和诱骗态参数进行数值限制的具体过程包括设置两个发送方的真空态的特征参数ξ和c均为零，设置每个发送方各自的第一诱骗态和第二诱骗态的特征参数c均相同，且为定值，设置每个发送方各自第一诱骗态的特征参数ξ小于第二诱骗态的特征参数ξ。
7.如权利要求6所述的一种基于修正相干态光源的双扫描4强度MDI-QKD系统，其特征是：所述发送方的量子态包括相应发送方的真空态、X基矢下的第一诱骗态和第二诱骗态以及Z基矢下的信号态。
8.如权利要求6所述的一种基于修正相干态光源的双扫描4强度MDI-QKD系统，其特征是：所述发送方被配置为保留有效响应的测量结果下的数据，丢弃其它数据；进行基矢比对，保留双方都选择Z基矢时对应的数据，得到一串比特，用于生成原始密钥，其它数据用于诱骗态估计；或得到最终密钥的后处理过程包括：对筛选后的比特串进行单光子计数率估计、相位翻转误码率估计、纠错、双扫描和保密放大。
9.如权利要求6所述的一种基于修正相干态光源的双扫描4强度MDI-QKD系统，其特征是：所述测量方包括分束器，与分束器连接的两个单光子探测器，对分束器处发生的双光子干涉结果进行测量；
或，所述测量方还包括分束器之前设置的，与一发送方依次连接的电控偏振控制器和偏振分束器；
或，所述测量方还包括设置于分束器之后的两个偏振分束器和四个单光子探测器，每两个单光子探测器分别与一偏振分束器连接。
10.一种终端设备，其特征是：包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行权利要求1-5中任一项所述的方法的步骤。
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Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| 一种可提高安全通信距离的诱骗态量子密钥分发方案;刘丹等;西安电子科技大学学报(01);全文 * |
| 基于修正相干态光源的MDI-QKD全局估计性能分析;薛阳等;量子电子学报(04);全文 * |
| 基于弱相干光源测量设备无关量子密钥分发系统的误码率分析;杜亚男等;物理学报(11);全文 * |
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