CN115208568A - 量子密钥生成方法、装置、计算机设备和存储介质 - Google Patents

量子密钥生成方法、装置、计算机设备和存储介质 Download PDF

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CN115208568A CN202211120719.XA CN202211120719A CN115208568A CN 115208568 A CN115208568 A CN 115208568A CN 202211120719 A CN202211120719 A CN 202211120719A CN 115208568 A CN115208568 A CN 115208568A
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Abstract

本申请涉及一种量子密钥生成方法、装置、计算机设备和存储介质。所述方法包括：通过接收发送端发送的用于生成量子密钥的多个目标量子的第一量子态信息，以及获取多个目标量子在接收端的第二量子态信息；第一量子态信息包括多个第一量子态，第二量子态信息包括多个第二量子态；基于多个第一量子态以及多个第二量子态，得到多个量子态组合，以及每个量子态组合的计数率；基于每个量子态组合的计数率，得到第一量子态信息与第二量子态信息的相位误差率的取值范围，并获取相位误差率在取值范围中的最大值；基于相位误差率的最大值，以及第一量子态信息，得到量子密钥。采用本方法能够更加高效地生成量子密钥。

Description

量子密钥生成方法、装置、计算机设备和存储介质
技术领域
本申请涉及量子通信技术领域，特别是涉及一种量子密钥生成方法、装置、计算机设备和存储介质。
背景技术
随着量子通信技术领域的发展，出现了量子密钥生成技术，该技术方案通过量子发送端将量子的量子态随机修改为Z0、Z1，X0、X1、Y0、Y1，6个量子态之一，然后将上述量子发送至量子接收端，量子接收端基于上述量子态的测量结果，生成量子密钥。
对于上述技术方案，现有的改进方案可以将发送端的量子态数量降低为4个，但是对于接收端而言，仍需要获得相位误差率的准确值，因此需要在Z，X，Y三个基下进行测量，然而，这增加了接收端所需器件的数量以及复杂性，从而使得量子密钥的生成效率更加低下。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种更加高效的量子密钥生成方法、装置、计算机设备和计算机可读存储介质。
第一方面，本申请提供了一种量子密钥生成方法。所述方法包括：
接收发送端发送的用于生成量子密钥的多个目标量子的第一量子态信息，以及获取所述多个目标量子在所述接收端的第二量子态信息；所述第一量子态信息包括多个第一量子态，所述第二量子态信息包括多个第二量子态；
基于所述多个第一量子态以及所述多个第二量子态，得到多个量子态组合，以及每个量子态组合的计数率；
基于所述每个量子态组合的计数率，得到所述第一量子态信息与所述第二量子态信息的相位误差率的取值范围，并获取所述相位误差率在所述取值范围中的最大值；
基于所述相位误差率的最大值，以及所述第一量子态信息，得到量子密钥。
在其中一个实施例中，所述基于所述多个第一量子态以及所述多个第二量子态，得到多个量子态组合，以及每个量子态组合的计数率，包括：将每个第一量子态与每个第二量子态进行组合，得到所述多个量子态组合；获取当前量子态组合对应的目标量子的数量，以及获取所述多个目标量子的总量；基于所述当前量子态组合对应的目标量子的数量，以及所述多个目标量子的总量，得到所述当前量子态组合的计数率。
在其中一个实施例中，所述多个第一量子态包括：第一信息基、第二信息基、第一监控基和第二监控基，所述多个第二量子态包括：第一信息基、第二信息基、第一监控基和第三监控基；所述基于所述多个第一量子态以及所述多个第二量子态，得到多个量子态组合，包括：将所述多个第一量子态中的第一信息基、第二信息基、第一监控基和第二监控基，与所述多个第二量子态中的第一信息基、第二信息基、第一监控基和第三监控基进行组合，得到所述多个量子态组合。
在其中一个实施例中，所述基于所述每个量子态组合的计数率，得到所述第一量子态信息与所述第二量子态信息的相位误差率的取值范围，并获取所述相位误差率在所述取值范围中的最大值，包括：基于所述每个量子态组合的计数率，对所述相位误差率的取值进行约束，得到所述相位误差率对应的取值范围；基于所述取值范围，通过预先设定的凸优化线性求解算法，得到所述相位误差率的最大值。
在其中一个实施例中，所述基于所述每个量子态组合的计数率，对所述相位误差率的取值进行约束，得到所述相位误差率对应的取值范围，包括：根据所述每个量子态组合的计数率，获取所述每个量子态组合的相位计数率的取值范围；基于所述每个量子态组合的相位计数率的取值范围，通过预先设定的相位计数率与相位误差率的转换关系，得到所述相位误差率对应的取值范围。
在其中一个实施例中，所述基于所述相位误差率的最大值，以及所述第一量子态信息，得到量子密钥，包括：基于所述相位误差率的最大值，通过香农熵函数，得到所述多个目标量子由所述发送端发送至所述接收端的过程中，所述多个目标量子的量子态信息的泄露量；基于所述泄露量，以及所述第一量子态信息，得到所述多个目标量子未泄露的量子态信息；基于所述未泄露的量子态信息，得到所述量子密钥。
在其中一个实施例中，所述未泄露的量子态信息包含有信息基量子态信息；基于所述未泄露的量子态信息，得到所述量子密钥，包括：获取所述未泄露的量子态信息中的信息基量子态信息；获取所述信息基量子态信息中比特随机数；基于所述比特随机数，得到所述量子密钥。
第二方面，本申请还提供了一种量子密钥生成装置。所述装置包括：
量子态信息获取模块，用于接收发送端发送的用于生成量子密钥的多个目标量子的第一量子态信息，以及获取所述多个目标量子在所述接收端的第二量子态信息；所述第一量子态信息包括多个第一量子态，所述第二量子态信息包括多个第二量子态；
计数率获取模块，用于基于所述多个第一量子态以及所述多个第二量子态，得到多个量子态组合，以及每个量子态组合的计数率；
相位误差率获取模块，用于基于所述每个量子态组合的计数率，得到所述第一量子态信息与所述第二量子态信息的相位误差率的取值范围，并获取所述相位误差率在所述取值范围中的最大值；
量子密钥获取模块，用于基于所述相位误差率的最大值，以及所述第一量子态信息，得到量子密钥。
第三方面，本申请还提供了一种计算机设备。所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：
接收发送端发送的用于生成量子密钥的多个目标量子的第一量子态信息，以及获取所述多个目标量子在所述接收端的第二量子态信息；所述第一量子态信息包括多个第一量子态，所述第二量子态信息包括多个第二量子态；
基于所述多个第一量子态以及所述多个第二量子态，得到多个量子态组合，以及每个量子态组合的计数率；
基于所述每个量子态组合的计数率，得到所述第一量子态信息与所述第二量子态信息的相位误差率的取值范围，并获取所述相位误差率在所述取值范围中的最大值；
基于所述相位误差率的最大值，以及所述第一量子态信息，得到量子密钥。第四方面，本申请还提供了一种计算机可读存储介质。所述计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：
接收发送端发送的用于生成量子密钥的多个目标量子的第一量子态信息，以及获取所述多个目标量子在所述接收端的第二量子态信息；所述第一量子态信息包括多个第一量子态，所述第二量子态信息包括多个第二量子态；
基于所述多个第一量子态以及所述多个第二量子态，得到多个量子态组合，以及每个量子态组合的计数率；
基于所述每个量子态组合的计数率，得到所述第一量子态信息与所述第二量子态信息的相位误差率的取值范围，并获取所述相位误差率在所述取值范围中的最大值；
基于所述相位误差率的最大值，以及所述第一量子态信息，得到量子密钥。
上述量子密钥生成方法、装置、计算机设备、存储介质和计算机程序产品，通过接收发送端发送的用于生成量子密钥的多个目标量子的第一量子态信息，以及获取多个目标量子在接收端的第二量子态信息；第一量子态信息包括多个第一量子态，第二量子态信息包括多个第二量子态；基于多个第一量子态以及多个第二量子态，得到多个量子态组合，以及每个量子态组合的计数率；基于每个量子态组合的计数率，得到第一量子态信息与第二量子态信息的相位误差率的取值范围，并获取相位误差率在取值范围中的最大值；基于相位误差率的最大值，以及第一量子态信息，得到量子密钥。本申请通过获取目标量子在发送端的多个第一量子态，以及上述目标量子在接收端的多个第二量子态，然后基于多个第一量子态以及多个第二量子态，得到多个量子态组合，以及每个量子态组合的计数率，再基于该计数率得到多个第一量子态与多个第二量子态的相位误差率的最大值，最后基于相位误差率的最大值，得到量子密钥，能够更加高效地生成量子密钥。
附图说明
图1为一个实施例中量子密钥生成方法的流程示意图；
图2为一个实施例中获取量子态组合计数率的流程示意图；
图3为一个实施例中获取相位误差率最大值的流程示意图；
图4为一个实施例中获取相位误差率取值范围的流程示意图；
图5为一个实施例中量子密钥生成装置的结构框图；
图6为一个实施例中计算机设备的内部结构图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
需要说明的是，本发明实施例所涉及的术语“第一\第二”仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序。应该理解“第一\第二”区分的对象在适当情况下可以互换，以使这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种量子密钥生成方法，本实施例以该方法应用于终端进行举例说明，可以理解的是，该方法也可以应用于服务器，还可以应用于包括终端和服务器的系统，并通过终端和服务器的交互实现。本实施例中，该方法包括以下步骤：
步骤S101，接收发送端发送的用于生成量子密钥的多个目标量子的第一量子态信息，以及获取多个目标量子在接收端的第二量子态信息；第一量子态信息包括多个第一量子态，第二量子态信息包括多个第二量子态。
其中，量子密钥为基于量子态所携带的信息生成的密钥，而目标量子为微观粒子，例如，该目标量子可以为光子，该目标量子的量子态可以按预设条件进行设定，可以用于生成密钥，该目标量子在传输过程中，量子态会因为被窃听而发生改变，而发送端为上述目标量子的发送端，该发送端可以用于设定上述目标量子的量子态，并把该量子态和目标量子发送至接收端，该接收端可用于测量出目标量子在发送端的量子态。至于第一量子态信息为上述目标量子在发送端的量子信息，第一量子态信息包括多个第一量子态，而第二量子态信息为上述目标量子在接收端的量子信息，第二量子态信息包括多个第二量子态。
具体地，发送端获取目标量子，并把目标量子的量子态按照预设条件进行随机设定，然后测量出目标量子的量子态，得到目标量子在发送端的第一量子态信息，也即得到多个第一量子态，再将第一量子态信息和目标量子发送至接收端，接收端测量出目标量子的量子态，得到目标量子在接收端的第二量子态信息，也即得到多个第二量子态。
步骤S102，基于多个第一量子态以及多个第二量子态，得到多个量子态组合，以及每个量子态组合的计数率。
其中，量子态组合为任意一个第一量子态和任意一个第二量子态的组合，该量子态组合用于表征某个目标量子的量子态在发送端为某个第一量子态，且在接收端为某个第二量子态，至于每个量子态组合的计数率为某个量子态组合匹配的目标量子的数量与目标量子的总数的比值。
具体地，将多个第一量子态与多个第二量子态进行组合，得到多个量子态组合，然后获取当前量子态组合匹配的目标量子的数量，该数量与目标量子的总数的比值即为当前量子态组和对应的计数率。
步骤S103，基于每个量子态组合的计数率，得到第一量子态信息与第二量子态信息的相位误差率的取值范围，并获取相位误差率在取值范围中的最大值。
其中，相位误差率为从发送端发送至接收端的过程中，发生相位改变的目标量子的数量占目标量子总数的比值，而相位误差率的取值范围为相位误差率最大值与最小值形成的范围，至于相位误差率在取值范围中的最大值，表征的是上述目标量子可能被窃听泄密的最大信息量。
具体地，基于每个量子态组合的计数率，对第一量子态信息与第二量子态信息的相位误差率的取值进行估算，得到一个相位误差率的取值范围，并获取所述取值范围的最大值。
步骤S104，基于相位误差率的最大值，以及第一量子态信息，得到量子密钥。
具体地，基于相位误差率的最大值，可以获得第一量子态信息的可能的最大泄露量，从而得到未泄露的量子态信息，根据未泄露的量子态信息，生成量子密钥。
上述量子密钥生成方法中，通过接收发送端发送的用于生成量子密钥的多个目标量子的第一量子态信息，以及获取多个目标量子在接收端的第二量子态信息；第一量子态信息包括多个第一量子态，第二量子态信息包括多个第二量子态；基于多个第一量子态以及多个第二量子态，得到多个量子态组合，以及每个量子态组合的计数率；基于每个量子态组合的计数率，得到第一量子态信息与第二量子态信息的相位误差率的取值范围，并获取相位误差率在取值范围中的最大值；基于相位误差率的最大值，以及第一量子态信息，得到量子密钥。本申请通过获取目标量子在发送端的多个第一量子态，以及上述目标量子在接收端的多个第二量子态，然后基于多个第一量子态以及多个第二量子态，得到多个量子态组合，以及每个量子态组合的计数率，再基于该计数率得到多个第一量子态与多个第二量子态的相位误差率的最大值，最后基于相位误差率的最大值，得到量子密钥，能够更加高效地生成量子密钥。
在一个实施例中，如图2所示，基于多个第一量子态以及多个第二量子态，得到多个量子态组合，以及每个量子态组合的计数率，包括以下步骤：
步骤S201，将每个第一量子态与每个第二量子态进行组合，得到多个量子态组合。
具体地，将多个第一量子态与多个第二量子态进行两两组合，得到多个量子态组合，例如，现有多个第一量子态A1、B1，多个第二量子态A2、B2，则量子态组合为A1A2、A1B2、B1A2、B1B2。
步骤S202，获取当前量子态组合对应的目标量子的数量，以及获取多个目标量子的总量。
其中，当前量子态组合对应的目标量子为与当前量子态组合匹配的目标量子，每一个量子态组合对应一种量子态组合。
具体地，通过量子测量工具获取当前量子态组合对应的目标量子的数量，以及获取多个目标量子的总量，例如，量子态组合A1A2相匹配的目标量子为5个，目标量子的总数为100个。
步骤S203，基于当前量子态组合对应的目标量子的数量，以及多个目标量子的总量，得到当前量子态组合的计数率。
具体地，当前量子态组合对应的目标量子的数量与目标量子的总数的比值即为当前量子态组和对应的计数率。例如，量子态组合A1A2相匹配的目标量子为5个，目标量子的总数为100个，则量子态组合A1A2对应的计数率为百分之五。
本实施例中，通过获取当前量子态组合对应的目标量子的数量，以及获取多个目标量子的总量，可以准确地得到当前量子态组合的计数率。
在一个实施例中，基于多个第一量子态以及多个第二量子态，得到多个量子态组合，还包括以下步骤：
将多个第一量子态中的第一信息基、第二信息基、第一监控基和第二监控基，与多个第二量子态中的第一信息基、第二信息基、第一监控基和第三监控基进行组合，得到多个量子态组合
其中，信息基为用于生成量子密钥的量子态，监控基为用于监控量子态信息泄露的量子态。
具体地，第一信息基为Z0，第二信息基为Z1，第一监控基为X0，第二监控基为Y0，第三监控基为X1，得到一共16个量子态组合：PZ0Z0，PZ0Z1，PZ0X0，PZ0X1，PZ1Z0，PZ1Z1，PZ1X0，PZ1X1，PX0Z0，PX0Z1，PX0X0，PX0X1，PY0Z0，PY0Z1，PY0X0，PY0X1。
本实施例中，通过将多个第一量子态中的第一信息基、第二信息基、第一监控基和第二监控基，与多个第二量子态中的第一信息基、第二信息基、第一监控基和第三监控基进行组合，能够准确地获得16个量子态组合。
在一个实施例中，如图3所示，基于每个量子态组合的计数率，得到第一量子态信息与第二量子态信息的相位误差率的取值范围，并获取相位误差率在取值范围中的最大值，包括以下步骤：
步骤S301，基于每个量子态组合的计数率，对相位误差率的取值进行约束，得到相位误差率对应的取值范围。
具体地，基于上述16个量子态组合的计数率，对相位误差率的取值进行估算，得到相位误差率对应的取值范围。
步骤S302，基于取值范围，通过预先设定的凸优化线性求解算法，得到相位误差率的最大值。
其中，凸优化线性求解算法为一种数据优化的数学方法，具体地，基于取值范围，通过预先设定的凸优化线性求解算法，得到相位误差率的最大值。
本实施例中，通过凸优化线性求解算法，能够准确得到相位误差率的最大值。
在一个实施例中，如图4所示，基于每个量子态组合的计数率，对相位误差率的取值进行约束，得到相位误差率对应的取值范围，包括以下步骤：
步骤S401，根据每个量子态组合的计数率，获取每个量子态组合的相位计数率的取值范围。
其中，相位计数率为目标量子相位的计数率，具体地，每个量子态组合的计数率可以用于对该量子态组合对应的相位计数率进行估算，得到每个量子态组合的相位计数率的取值范围。
步骤S402，基于每个量子态组合的相位计数率的取值范围，通过预先设定的相位计数率与相位误差率的转换关系，得到相位误差率对应的取值范围。
其中，预先设定的相位计数率与相位误差率的转换关系为相位计数率与相位误差率的函数关系式。
具体地，转换关系如下公式所示：
Figure 345157DEST_PATH_IMAGE002
；
其中，ep为相位误差率，
Figure 661868DEST_PATH_IMAGE004
为相位计数率；基于上述转换关系，通过每个量子态组合的相位计数率的取值范围，得到相位误差率对应的取值范围。
本实施例中，通过预先设定的相位计数率与相位误差率的转换关系，能够准确地得到相位误差率对应的取值范围。
在一个实施例中，基于相位误差率的最大值，以及第一量子态信息，得到量子密钥，包括以下步骤：
基于相位误差率的最大值，通过香农熵函数，得到多个目标量子由发送端发送至接收端的过程中，多个目标量子的量子态信息的泄露量；基于泄露量，以及第一量子态信息，得到多个目标量子未泄露的量子态信息；基于未泄露的量子态信息，得到量子密钥。
其中，香农熵函数为信息的量化度量函数，量子态信息的泄露量为目标量子在传输过程中泄露的量子态信息，未泄露的量子态信息为目标量子在传输过程中未泄露的量子态信息。
具体地，如下公式所示：
M=[1- H(ep)]*Length(Ni)；
其中，M为未泄露的量子态信息，H(ep)为量子态信息的泄露量，Length(Ni)为第一量子态信息中的信息基的数量。基于未泄露的量子态信息，生成量子密钥。
本实施例中，基于相位误差率的最大值，通过香农熵函数，得到多个目标量子未泄露的量子态信息，能够确保密钥未被泄露。
在一个实施例中，未泄露的量子态信息包含有信息基量子态信息；基于未泄露的量子态信息，得到量子密钥，包括以下步骤：
获取未泄露的量子态信息中的信息基量子态信息；获取信息基量子态信息中比特随机数；基于比特随机数，得到量子密钥。
其中，比特随机数为信息基量子态信息的标识编号，比特随机数为0或1。
具体地，获取未泄露的量子态信息中的信息基量子态信息中的比特随机数，通过比特随机数来编码密钥。
本实施例中，通过未泄露的量子态信息中的信息基量子态信息中的比特随机数，能够安全地获取量子密钥。
在一个应用场景实施例中，提供了一种量子密钥生成方法，具体步骤如下所示：
1、发送端使用2比特随机数来随机制备Z0，Z1，X0，Y0四个量子态之一。其中第一个随机数称为基随机数，决定发送发所信息基还是监控基，其中Z为信息基，X和Y为监控基。第二个随机数为比特随机数，决定了信息基和监控基下具体的量子态形式。如果基随机数为0，则发送端发送信息基Z下的量子态，如果基随机数为1，则发送端发送监控基下的量子态。基随机数、比特随机数和量子态的具体对应如表1所示。
Figure 852678DEST_PATH_IMAGE006
2、发送端所发送的量子态经过量子信道到达接收端后，接收端采用1比特的基随机数来随机进行Z或者X基进行测量。如果基随机数为0，则采样Z基进行测量，如果随机数为1，则采样X基进行测量，并记录相应的单光子探测器测量结果。
3、接收端完成测量后，接收端公布每个光脉冲是否探测到了光子信号（即单光子探测器是否发生了响应），然后发送端和接收端公布所使用基随机数的取值。根据接收端单光子探测器是否探测到光子，以及发送端和接收端的基随机数的取值，发送端和接收端将自己的数据可以分为三部分（N0，Ni，Nc）,其中N0表示接收端没有探测到光子的脉冲序列，Ni表示发送端或接收端的基随机数为0时所对应的脉冲序列，Nc表示发送端或接收端的基随机数为1时所对应的脉冲序列。
4、发送端公布Nc序列中每个脉冲的比特随机数信息，并以概率p随机选择部分Ni序列中的脉冲序列公布相应的比特随机数信息。
5、接收端根据发送端所公布的Nc和Ni序列的比特随机数，计数各种基组合下的计数率
Figure 545828DEST_PATH_IMAGE008
和误码率
Figure 872904DEST_PATH_IMAGE010
。其中，
Figure 829359DEST_PATH_IMAGE012
表示发送端发送
Figure 710727DEST_PATH_IMAGE014
并且接收端探测到
Figure 941988DEST_PATH_IMAGE016
的概率。
Figure 123571DEST_PATH_IMAGE010
表示发送端发送α基，接收端进行β测量时的系统误码率，其可以由
Figure 47665DEST_PATH_IMAGE017
直接推导得出。注意到，不同于传统量子密钥生成协议中发送端和接收端放弃所有基不一致的数据，本发明所提协议中，所有基的数据均保留使用，以降低窃听者所能够获取的信息量。
Figure 213067DEST_PATH_IMAGE019
；
Figure 248019DEST_PATH_IMAGE021
。
6、通信双方Z基下的比特误码率eZZ可以表示为：
Figure 284108DEST_PATH_IMAGE023
；
通信双方并采用LDPC等纠错函数对Z基的测量数据进行纠错，确保通信双方密钥信息的一致性。在次过程中，通信双方泄露的信息量可以表示为：
Figure 579435DEST_PATH_IMAGE025
；
其中H(.)表示香农熵函数，fEC表示纠错算法的效率。
7、通信双方采用除发送端和接收端均采用Z基（发送端发送Z0和Z1，且接收端采用Z基进行测量）之外的全部来进行窃听者互信息估计，从而确保信息安全。由于ep表示相位错误率，实验无法直接测试得到，因此需要在给定探测计数率的约束性进行估计，根据ep的含义，其可以表示为：
Figure 435396DEST_PATH_IMAGE027
；
Figure 8460DEST_PATH_IMAGE029
；
其中，
Figure 164635DEST_PATH_IMAGE031
相位计数率。
在本申请协议中，通信双方求解如下优化问题来得到相位误码率的最大值，如下所示：
Figure 227269DEST_PATH_IMAGE033
；
其中，max ep表示相位误码率的最大值，s.t.表示某些数值的约束下，
Figure 304946DEST_PATH_IMAGE034
包括：PZ0Z0，PZ0Z1，PZ0X0，PZ0X1，PZ1Z0，PZ1Z1，PZ1X0，PZ1X1，PX0Z0，PX0Z1，PX0X0，PX0X1，PZ0Z0，PZ0Z0，PZ0Z0，PZ0Z0。
8、根据所估计的相位错误率ep，通信双方采用通用哈希函数集来进行私密放大处理，从Z基保留的数据中提取出安全的密钥，在此过程中，通信双方泄露的信息量为H(ep)，因此最终可以提取的密钥为：[1- H(ep)]*Length(Ni)。
量子密钥生成的一个重要特征是利用量子态特性可以保证所生成密钥的安全性，针对本发明所提上述协议的安全性可以分析如下。对于量子密钥生成而言，安全性分析的关键是得到上述协议第7步所需相位错误率ep的上限，因此，下面分析对于本发明所提协议分析相位错误率的上限。
根据上述协议表述，发送端首先制备如下纠缠量子态：
Figure 150542DEST_PATH_IMAGE036
；
Figure 161224DEST_PATH_IMAGE038
；
其中，
Figure 598021DEST_PATH_IMAGE040
是贝尔纯态，表示发送端在Z基下的量子态形式。其中K表示发送端的基选择辅助量子位，发送端通过测量该辅助量子位来决定发送那个基下的量子态；A和B分别表示该量子是发送端保留进行测量还是发送给接收端；发送端保留K系统和A系统，然后将B系统的量子态通过量子信道发送给接收端。当量子态经过量子信道传输时，窃听者可以对量子态进行任意操控，从而获取发送端的编码密钥信息。该过程中，窃听者的操作可以采用一组Kraus算子来表示{Ef}，此时发送端和接收端所共享的纠缠量子态为：
Figure 162995DEST_PATH_IMAGE042
；
发送端和接收端共享纠缠量子态后，他们分别对自己的系统进行测量。发送端对K系统的测量决定了基随机数的输出，如果测量得到0，则说明发送端制备了信息基的量子态，如果测量得到1或者2，则说明发送端制备了监控基下的量子态。发送端对K系统进行测量后，再对A系统进行测量，以确定其发送量子态具体形式。接收端对B系统进行测量，以决定比特信息。
本实施例中，通过获取量子在发送端的多个第一量子态，以及上述量子在接收端的多个第二量子态，然后基于多个第一量子态以及多个第二量子态，得到多个量子态组合，以及每个量子态组合的计数率，再基于该计数率得到多个第一量子态与多个第二量子态的相位误差率的最大值，最后基于相位误差率的最大值，得到量子密钥，能够更加高效地生成量子密钥。
应该理解的是，虽然如上所述的各实施例所涉及的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，如上所述的各实施例所涉及的流程图中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
基于同样的发明构思，本申请实施例还提供了一种用于实现上述所涉及的量子密钥生成方法的量子密钥生成装置。该装置所提供的解决问题的实现方案与上述方法中所记载的实现方案相似，故下面所提供的一个或多个量子密钥生成装置实施例中的具体限定可以参见上文中对于量子密钥生成方法的限定，在此不再赘述。
在一个实施例中，如图5所示，提供了一种量子密钥生成装置，包括：量子态信息获取模块501、计数率获取模块502、相位误差率获取模块503和量子密钥获取模块504，其中：
量子态信息获取模块501，用于接收发送端发送的用于生成量子密钥的多个目标量子的第一量子态信息，以及获取多个目标量子在接收端的第二量子态信息；第一量子态信息包括多个第一量子态，第二量子态信息包括多个第二量子态；
计数率获取模块502，用于基于多个第一量子态以及多个第二量子态，得到多个量子态组合，以及每个量子态组合的计数率；
相位误差率获取模块503，用于基于每个量子态组合的计数率，得到第一量子态信息与第二量子态信息的相位误差率的取值范围，并获取相位误差率在取值范围中的最大值；
量子密钥获取模块504，用于基于相位误差率的最大值，以及第一量子态信息，得到量子密钥。
在其中一个实施例中，计数率获取模块502，进一步用于将每个第一量子态与每个第二量子态进行组合，得到多个量子态组合；获取当前量子态组合对应的目标量子的数量，以及获取多个目标量子的总量；基于当前量子态组合对应的目标量子的数量，以及多个目标量子的总量，得到当前量子态组合的计数率。
在其中一个实施例中，计数率获取模块502，进一步用于将多个第一量子态中的第一信息基、第二信息基、第一监控基和第二监控基，与多个第二量子态中的第一信息基、第二信息基、第一监控基和第三监控基进行组合，得到多个量子态组合。
在其中一个实施例中，相位误差率获取模块503，进一步用于基于每个量子态组合的计数率，对相位误差率的取值进行约束，得到相位误差率对应的取值范围；基于取值范围，通过预先设定的凸优化线性求解算法，得到相位误差率的最大值。
在其中一个实施例中，相位误差率获取模块503，进一步用于根据每个量子态组合的计数率，获取每个量子态组合的相位计数率的取值范围；基于每个量子态组合的相位计数率的取值范围，通过预先设定的相位计数率与相位误差率的转换关系，得到相位误差率对应的取值范围。
在其中一个实施例中，量子密钥获取模块504，进一步用于基于相位误差率的最大值，通过香农熵函数，得到多个目标量子由发送端发送至接收端的过程中，多个目标量子的量子态信息的泄露量；基于泄露量，以及第一量子态信息，得到多个目标量子未泄露的量子态信息；基于未泄露的量子态信息，得到量子密钥。
在其中一个实施例中，量子密钥获取模块504，进一步用于取未泄露的量子态信息中的信息基量子态信息；获取信息基量子态信息中比特随机数；基于比特随机数，得到量子密钥。
上述量子密钥生成装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是终端，其内部结构图可以如图6所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、通信接口、显示屏和输入装置。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的通信接口用于与外部的终端进行有线或无线方式的通信，无线方式可通过WIFI、移动蜂窝网络、NFC（近场通信）或其他技术实现。该计算机程序被处理器执行时以实现一种量子密钥生成方法。该计算机设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该计算机设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算机设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。
本领域技术人员可以理解，图6中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
在一个实施例中，还提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现上述各方法实施例中的步骤。
在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述各方法实施例中的步骤。
在一个实施例中，提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述各方法实施例中的步骤。
需要说明的是，本申请所涉及的用户信息（包括但不限于用户设备信息、用户个人信息等）和数据（包括但不限于用于分析的数据、存储的数据、展示的数据等），均为经用户授权或者经过各方充分授权的信息和数据。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和易失性存储器中的至少一种。非易失性存储器可包括只读存储器（Read-OnlyMemory，ROM）、磁带、软盘、闪存、光存储器、高密度嵌入式非易失性存储器、阻变存储器（ReRAM）、磁变存储器（Magnetoresistive Random Access Memory，MRAM）、铁电存储器（Ferroelectric Random Access Memory，FRAM）、相变存储器（Phase Change Memory，PCM）、石墨烯存储器等。易失性存储器可包括随机存取存储器（Random Access Memory，RAM）或外部高速缓冲存储器等。作为说明而非局限，RAM可以是多种形式，比如静态随机存取存储器（Static Random Access Memory，SRAM）或动态随机存取存储器（Dynamic RandomAccess Memory，DRAM）等。本申请所提供的各实施例中所涉及的数据库可包括关系型数据库和非关系型数据库中至少一种。非关系型数据库可包括基于区块链的分布式数据库等，不限于此。本申请所提供的各实施例中所涉及的处理器可为通用处理器、中央处理器、图形处理器、数字信号处理器、可编程逻辑器、基于量子计算的数据处理逻辑器等，不限于此。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种量子密钥生成方法，其特征在于，应用于接收端，所述方法包括：
接收发送端发送的用于生成量子密钥的多个目标量子的第一量子态信息，以及获取所述多个目标量子在所述接收端的第二量子态信息；所述第一量子态信息包括多个第一量子态，所述第二量子态信息包括多个第二量子态；
基于所述多个第一量子态以及所述多个第二量子态，得到多个量子态组合，以及每个量子态组合的计数率；
基于所述每个量子态组合的计数率，得到所述第一量子态信息与所述第二量子态信息的相位误差率的取值范围，并获取所述相位误差率在所述取值范围中的最大值；
基于所述相位误差率的最大值，以及所述第一量子态信息，得到量子密钥。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述多个第一量子态以及所述多个第二量子态，得到多个量子态组合，以及每个量子态组合的计数率，包括：
将每个第一量子态与每个第二量子态进行组合，得到所述多个量子态组合；
获取当前量子态组合对应的目标量子的数量，以及获取所述多个目标量子的总量；
基于所述当前量子态组合对应的目标量子的数量，以及所述多个目标量子的总量，得到所述当前量子态组合的计数率。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述多个第一量子态包括：第一信息基、第二信息基、第一监控基和第二监控基，所述多个第二量子态包括：第一信息基、第二信息基、第一监控基和第三监控基；所述基于所述多个第一量子态以及所述多个第二量子态，得到多个量子态组合，包括：
将所述多个第一量子态中的第一信息基、第二信息基、第一监控基和第二监控基，与所述多个第二量子态中的第一信息基、第二信息基、第一监控基和第三监控基进行组合，得到所述多个量子态组合。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述每个量子态组合的计数率，得到所述第一量子态信息与所述第二量子态信息的相位误差率的取值范围，并获取所述相位误差率在所述取值范围中的最大值，包括：
基于所述每个量子态组合的计数率，对所述相位误差率的取值进行约束，得到所述相位误差率对应的取值范围；
基于所述取值范围，通过预先设定的凸优化线性求解算法，得到所述相位误差率的最大值。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述基于所述每个量子态组合的计数率，对所述相位误差率的取值进行约束，得到所述相位误差率对应的取值范围，包括：
根据所述每个量子态组合的计数率，获取所述每个量子态组合的相位计数率的取值范围；
基于所述每个量子态组合的相位计数率的取值范围，通过预先设定的相位计数率与相位误差率的转换关系，得到所述相位误差率对应的取值范围。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述相位误差率的最大值，以及所述第一量子态信息，得到量子密钥，包括：
基于所述相位误差率的最大值，通过香农熵函数，得到所述多个目标量子由所述发送端发送至所述接收端的过程中，所述多个目标量子的量子态信息的泄露量；
基于所述泄露量，以及所述第一量子态信息，得到所述多个目标量子未泄露的量子态信息；
基于所述未泄露的量子态信息，得到所述量子密钥。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述未泄露的量子态信息包含有信息基量子态信息；基于所述未泄露的量子态信息，得到所述量子密钥，包括：
获取所述未泄露的量子态信息中的信息基量子态信息；
获取所述信息基量子态信息中比特随机数；
基于所述比特随机数，得到所述量子密钥。
8.一种量子密钥生成装置，其特征在于，应用于接收端，所述装置包括：
量子态信息获取模块，用于接收发送端发送的用于生成量子密钥的多个目标量子的第一量子态信息，以及获取所述多个目标量子在所述接收端的第二量子态信息；所述第一量子态信息包括多个第一量子态，所述第二量子态信息包括多个第二量子态；
计数率获取模块，用于基于所述多个第一量子态以及所述多个第二量子态，得到多个量子态组合，以及每个量子态组合的计数率；
相位误差率获取模块，用于基于所述每个量子态组合的计数率，得到所述第一量子态信息与所述第二量子态信息的相位误差率的取值范围，并获取所述相位误差率在所述取值范围中的最大值；
量子密钥获取模块，用于基于所述相位误差率的最大值，以及所述第一量子态信息，得到量子密钥。
9.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至7中任一项所述的方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至7中任一项所述的方法的步骤。
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