CN114666051A - 一种自由运行的参考系无关量子密钥分发方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自由运行的参考系无关量子密钥分发方法，包括：测量结果初始化、合并测量结果、安全性分析和生成安全密钥，在量子通信阶段分发三个基矢的多组测量结果，根据每组测量结果的误码率计算其参考系偏转角，再将偏转角相近的测量结果划分至同一集合并合并，分别对合并后的测量结果集合计算泄露的信息量和单光子计数，最后将所有的测量结果合并后计算总的安全密钥率并生成最终密钥。本发明可以应用于参考系快速随机漂移的环境中，且能达到更远的传输距离和更高的密钥率。

Description

一种自由运行的参考系无关量子密钥分发方法

技术领域

本发明涉及量子保密通信技术领域，更具体地说，特别涉及一种自由运行的参考系无关量子密钥分发方法。

背景技术

基于量子力学的量子密钥分发能够为通信双方提供无条件安全的通信。近年来，量子密钥分发系统快速发展，已经从实验室走向了社会生活中，例如509km的光纤量子密钥分发、4600km的星地量子密钥分发和1km距离的基于无人机的纠缠分发等。

在实际的量子密钥分发系统中，参考系的快速随机漂移会缩短传输距离并降低安全密钥率。现有的解决方案主要包括参考系实时校准和采用参考系无关的量子密钥分发协议。参考系的实时校准基于经典光对参考系的漂移进行标定，并调整参考系实现参考系一致。然而，当参考系快速随机漂移时，参考系的实时校准将会导致系统复杂度提升，并可能导致系统存在安全隐患。在现有的参考系无关密钥分发协议中，通信双方采用三组基矢(X基、Y基和Z基)对量子态进行编码和测量，并基于X基和Y基的测量结果计算量子信道的安全容量，基于Z基测量结果生成安全密钥，从而抵抗参考系的缓慢漂移。然而，参考系无关量子密钥分发协议的参考系偏转范围的增大会直接降低传输距离和密钥率，且每轮分发过程的参考系偏转范围最大为π。同时，参考系的随时间漂移和参考系最大偏转容忍范围会导致密钥积累时间降低，无法有效地削弱有限码长效应，导致参考系无关量子密钥分发协议的传输距离和密钥率受限。

因此，为了能够满足参考系无关量子密钥分发协议在参考系随机快速偏转情况下高密钥率和远传输距离的需求，有必要开发一种自由运行的参考系无关量子密钥分发方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自由运行的参考系无关量子密钥分发方法，以克服现有技术所存在的缺陷。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种自由运行的参考系无关量子密钥分发方法，包括以下步骤：

S1、测量结果初始化，包括：通信双方进行参考系无关量子密钥分发的量子通信阶段，获得X、Y和Z基的初始密钥；通信双方执行基比对和比特筛选步骤，生成制备基为α、测量基为β的测量结果，其中αβ∈{XY,XX,YX,YY,ZZ}；将筛选后的测量结果按照固定的时间间隔T拆分为n组：d₀,d₁,…,d_n-1；分别对d₀,d₁,…,d_n-1中的αβ基进行误码率估计，获得相应的误码率Eⁱ _αβ，其中i＝0，1，…，n-1；

S2、合并测量结果，包括：根据每组测量结果的误码率计算参考系偏转角θ_i；将区间[θ⁰,θ⁰+2π)拆分为m个长度相同的连续区间Θ₀,Θ₁,…,Θ_m-1，其中θ⁰∈[0,2π)；将参考系偏转角θ_i+2kπ∈Θ_j的测量结果d_i分类至测量结果集合D_j，其中，i＝0,1,…,n-1，j＝0,1,…,m-1，k＝0,1；

S3、安全性分析，包括：对测量结果集合D_i进行参考系无关的量子密钥分发的安全性分析，获得泄露的信息量I_i和Z基单光子计数N_i，i＝0,1,…,m-1；合并所有的泄露信息量低于1的测量结果集合为集合D*；对集合D*进行量子密钥分发的安全性分析，计算获得Z基单光子计数N*；

S4、生成安全密钥，包括：通信双方通过经典信道传输检验信息，对集合D*中的Z基密钥进行误码纠错，获得纠错效率f；计算安全密钥率R；通信双方分别进行保密增强步骤，获得最终的安全密钥K。

进一步地，所述步骤S2中计算参考系偏转角θ_i的计算公式为：当Eⁱ _XY>0.5时，θ_i＝arcsin(2Eⁱ _XX-1)，当Eⁱ _XY≤0.5时，θ_i＝2π-arcsin(2Eⁱ _XX-1)。

进一步地，所述步骤S4中计算安全密钥率R的公式为：

R＝(N*-∑_{i＝0,1,…,m-1}N_i)[1-max(I₀,I₁,…,I_m-1)]+∑_{i＝0,1,…,m-1}N_i[1-max(I₀,I₁,…,I_m-1)]-fH₂(Eⁱ _ZZ)，

其中，H₂(x)＝-xlog₂(x)-(1-x)log₂(1-x)。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明通过将测量结果进行短时间片分组并计算其参考系偏转角度，再按照参考系偏转角进行分类计算，可以容忍更快的参考系漂移和环境噪声；本发明将具有相似参考系偏转角的分组进行合并为多个集合并分别进行处理，可以有效降低数据中的参考系偏转范围，通过长时间的密钥累积过程可以削弱有限码长效应，本发明具有更高的密钥率和更远的传输距离；本发明根据Z基的全部数据结果对单光子计数进行估计，以最大限度的削弱有限码长效应，密钥累积时间不再受到参考系偏转范围的影响且Z基的单光子计数不受子块拆分影响，本发明更具有更高的安全码率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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是本发明自由运行的参考系无关量子密钥分发方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

参阅图1所示，本实施例公开了一种自由运行的参考系无关量子密钥分发方法，包括以下步骤：

步骤S1、测量结果初始化，包括：

1.1通信双方进行参考系无关量子密钥分发的量子通信阶段，获得X、Y和Z基的初始密钥；

1.2通信双方通过执行基比对和比特筛选步骤，生成制备基为α、测量基为β的测量结果，其中αβ∈{XY,XX,YX,YY,ZZ}；

1.3将筛选后的测量结果按照固定的时间间隔T拆分为n组：d₀,d₁,…,d_n-1；分别对d₀,d₁,…,d_n-1中的αβ基进行误码率估计，获得误码率Eⁱ _αβ，其中i＝0,1,…,n-1。

步骤S2、合并测量结果，包括：

2.1根据每组测量结果的误码率计算参考系偏转角θ_i，i＝0,1,…,n-1，其中：计算参考系偏转角θ_i的计算公式为：当Eⁱ _XY>0.5时，θ_i＝arcsin(2Eⁱ _XX-1)，当Eⁱ _XY≤0.5时，θ_i＝2π-arcsin(2Eⁱ _XX-1)。

2.2将区间[θ⁰,θ⁰+2π)拆分为m个长度相同的连续区间Θ₀,Θ₁,…,Θ_m-1，其中θ⁰∈[0,2π)；2.3将参考系偏转角θ_i+2kπ∈Θ_j的测量结果d_i分类至测量结果集合D_j，其中，i＝0,1,…,n-1，j＝0,1,…,m-1，k＝0,1。

步骤S3、安全性分析，包括：

3.1对测量结果集合D_i进行参考系无关的量子密钥分发的安全性分析，获得泄露的信息量I_i和Z基单光子计数N_i，i＝0,1,…,m-1；

3.2合并所有的泄露信息量低于1的测量结果集合为集合D*；

3.3对集合D*进行量子密钥分发的安全性分析，计算获得Z基单光子计数N*。

步骤S4、生成安全密钥，包括：

4.1通信双方通过经典信道传输检验信息，对集合D*中的Z基密钥进行误码纠错，获得纠错效率f；

4.2计算安全密钥率R，计算安全密钥率R的公式为：R＝(N*-∑_{i＝0,1,…,m-1}N_i)[1-max(I₀,I₁,…,I_m-1)]+∑_{i＝0,1,…,m-1}N_i[1-max(I₀,I₁,…,I_m-1)]-fH₂(Eⁱ _ZZ)，其中，H₂(x)＝-xlog₂(x)-(1-x)log₂(1-x)；

4.3通信双方分别进行保密增强步骤，获得最终的安全密钥K。

本发明针对随机快速的参考系漂移情况下参考系无关量子密钥分发系统的传输距离和密钥率需求，在量子通信阶段分发三个基矢的多组测量结果，根据每组测量结果的误码率计算其参考系偏转角，随后，将偏转角相近的测量结果划分至同一集合并合并，分别对合并后的测量结果集合计算泄露的信息量和单光子计数，最后，将所有的测量结果合并后计算总的安全密钥率并生成最终密钥，本发明可以应用于参考系快速随机漂移的环境中，且能达到更远的传输距离和更高的密钥率。

本发明通过将测量结果进行短时间片分组并计算其参考系偏转角度，再按照参考系偏转角进行分类，可以容忍更快的参考系漂移和环境噪声.

本发明将具有相似参考系偏转角的分组进行合并为多个集合并分别进行处理，可以有效降低数据中的参考系偏转范围，通过长时间的密钥累积过程可以削弱有限码长效应，本发明具有更高的密钥率和更远的传输距离。

本发明根据Z基的全部数据结果对单光子计数进行估计，以最大限度的削弱有限码长效应，密钥累积时间不再受到参考系偏转范围的影响且Z基的单光子计数不受子块拆分影响，本发明更具有更高的安全码率。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是专利所有者可以在所附权利要求的范围之内做出各种变形或修改，只要不超过本发明的权利要求所描述的保护范围，都应当在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种自由运行的参考系无关量子密钥分发方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、测量结果初始化，包括：通信双方进行参考系无关量子密钥分发的量子通信阶段，获得X、Y和Z基的初始密钥；通信双方执行基比对和比特筛选步骤，生成制备基为α、测量基为β的测量结果，其中αβ∈{XY,XX,YX,YY,ZZ}；将筛选后的测量结果按照时间间隔T拆分为n组：d₀,d₁,…,d_n-1；分别对d₀,d₁,…,d_n-1中的αβ基进行误码率估计，获得相应的误码率Eⁱ _αβ，其中i＝0,1,…,n-1；

S2、合并测量结果，包括：根据每组测量结果的误码率计算参考系偏转角θ_i；将区间[θ°,θ°+2π)拆分为m个长度相同的连续区间Θ₀,Θ₁,…,Θ_m-1，其中θ°∈[0,2π)；将参考系偏转角θ_i+2kπ∈Θ_j的测量结果d_i分类至测量结果集合D_j，其中，i＝0,1,…,n-1，j＝0,1,…,m-1,k＝0,1；

S3、安全性分析，包括：对测量结果集合D_i进行参考系无关量子密钥分发的安全性分析，获得泄露的信息量I_i和Z基单光子计数N_i，i＝0,1,…,m-1；合并所有的泄露信息量低于1的测量结果集合为集合D*；对集合D*进行量子密钥分发的安全性分析，计算获得Z基单光子计数N*；

S4、生成安全密钥，包括：通信双方通过经典信道传输检验信息，对集合D*中的Z基密钥进行误码纠错，获得纠错效率f；计算安全密钥率R；通信双方分别进行保密增强步骤，获得最终的安全密钥K。

2.根据权利要求1所述的自由运行的参考系无关量子密钥分发方法，其特征在于，所述步骤S2中计算参考系偏转角θ_i的计算公式为：当Eⁱ _XY>0.5时，θ_i＝arcsin(2Eⁱ _XX-1)，当Eⁱ _XY≤0.5时，θ_i＝2π-arcsin(2Eⁱ _XX-1)。

3.根据权利要求1所述的自由运行的参考系无关量子密钥分发方法，其特征在于，所述步骤S4中计算安全密钥率R的公式为：

R＝(N*-∑_{i＝0,1,…,m-1}N_i)[1-max(I₀,I₁,…,I_m-1)]+∑_{i＝0,1,…,m-1}N_i[1-max(I₀,I₁,…,I_m-1)]-fH₂(Eⁱ _ZZ)，

其中，H₂(x)＝-xlog₂(x)-(1-x)log₂(1-x)。

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