CN115361118A - 具有损耗容忍的参考系和测量设备无关量子密钥分发方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有损耗容忍的参考系和测量设备无关量子密钥分发方法，该方法以四强度诱骗态，结合损耗容忍方案，以解决实际场景中态制备缺陷所带来的影响，同时将调制误差和统计起伏均考虑在内，且系统复杂度低。

Description

具有损耗容忍的参考系和测量设备无关量子密钥分发方法

技术领域

本发明属于量子密钥分发领域，具体涉及一种具有损耗容忍的参考系和测量设备无关量子密钥分发方法。

背景技术

量子密码学是源于量子力学的实际应用之一。通过采用无条件安全的“一次一密”加密算法，量子密码学可以将加密的安全性转移到密钥分配中，这也被称为量子密钥分发(QKD)。自1984年提出第一个协议后，QKD在理论方案和实验方面都有蓬勃的发展，以应对实际的不完善之处。在不断地发展中，诱骗态方法和测量设备无关协议(MDI QKD)分别填补了发射端和接收端的主要漏洞，并被广泛应用于QKD系统和网络之中。

同时在实际的实施过程中，需要对基于偏振或相位编码的QKD进行实时参考系校准，以保持系统的稳定。为了针对这一耗时而又复杂的要求，相关学者提出了与参考系无关协议(RFI QKD)和与参考系和测量设备均无关协议(RFI-MDI QKD)。目前的研究情况，在协议优化和系统演示方面取得了很大的进展，特别是针对RFI-MDI QKD协议，其继承了MDI协议的高安全性，并且在长传输距离上也得到了验证。

但除此之外，窃听者可以将注意力转移到可能会暴露许多缺陷的编码部分，故目前发送端漏洞相关问题得到了广泛的研究。在研究的对策中，采用损耗容忍是最实用的方案之一。其假设条件很少，而且已经得到了具体的证明。然而随着发展，目前对RFI-MDI QKD协议的研究大多局限在假设的完美的制备态中，而没有考虑到实际的限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有损耗容忍的参考系和测量设备无关量子密钥分发方法，该方法考虑了实际场景中制备态缺陷所带来的影响，且系统复杂度低。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种具有损耗容忍的参考系和测量设备无关量子密钥分发方法，该方法以四强度诱骗态，结合损耗容忍方案，以解决实际场景中态制备缺陷所带来的影响，同时将调制误差和统计起伏均考虑在内。

进一步地，采用四强度诱骗态的RFI-MDI QKD协议，其中信号态μ只制备在Z基，其余两种诱骗态v和w，制备在Z基、X基和Y基上，且其概率分别为0.5、0.25和0.25，其余相关概率和强度均针对实际系统参数进行优化。

进一步地，通过额外应用损耗容忍方案，RFI-MDI QKD系统只需假设制备好的量子光是在二维态空间内的，且由于参考系和测量设备双无关协议的特性，免于参考系的校准和探测段的侧信道漏洞，进而简化系统要求。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：相比于现有的RFI-MDI QKD协议，本发明提出了一种具有损耗容忍的参考系和测量设备无关量子密钥分发方法，该方法采用四强度诱骗态，结合损耗容忍方案，考虑了实际场景中制备态缺陷所带来的影响，进一步紧致了具有制备态缺陷的理论模型，同时也将调制误差和统计起伏考虑在内，在实用化角度进一步推进QKD在实际场景中的应用，因而在实际的量子密码、量子通信系统中具有良好的应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例中验证所述方法的实验装置图。

图中所包含的器件如下：Laser为发射端和接收端的激光器；IM为强度调制器；PM为相位调制器；BS为50:50分束器；FM为法拉第反射镜(法拉第-迈克尔逊(F-M)干涉环由FM和PM构成)；ATT为光衰减器；EPC为电子偏振控制器；PBS为偏振分束器；SNSPD为超导纳米线单光子探测器。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请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申请的示例性实施方式。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。

本实施例提出了一种具有损耗容忍的参考系和测量设备无关量子密钥分发方法，该方法以四强度诱骗态，结合损耗容忍方案，以解决实际场景中态制备缺陷所带来的影响，同时将调制误差和统计起伏均考虑在内。

首先我们对本方法中RFI-MDI QKD协议的基本协议步骤作详细说明：

RFI-MDI QKD协议的提出是为了避免参考系实时校准和检测侧信道的产生的漏洞。其基本步骤包括以下：

(1)发送端Alice和接收端Bob调制相位随机的弱相干源，并从{μ,v,w,o}集合之中选择强度l和r，并且其相应的概率为P_l和P_r。简单起见，在一个对称系统中，我们可以合理地假设同一种强度的选择概率相同。

在本实施例中，四种强度的制备是特殊的，其中信号态μ只制备在Z基，其余两种诱骗态v和w，制备在Z基、X基和Y基上，且其概率分别为0.5、0.25和0.25。这带来的优势是：信号态仅需要负责密钥生成，而诱骗态两个强度用来进行参数的估计。因此在进行全局参数优化的时候，各个光强不会相互制约，可以极大提升密钥率。

在实际的QKD系统中，通常采用时间相位的编码方案，特别是对针对MDI型系统。在这种情况下，参考系Z基(到达时间)在两个用户之间是很一致的。但是，对于X基和Y基，相位参考系之间存在一个偏转角β。在之前RFI-MDI QKD方案中，大部分都不考虑实际器件引入的制备误差，因此，可能给窃听者留下可趁之机。本方案通过采用容忍损失的方案，不仅可以容忍态制备误差，同时跟原来的六态相比，本方案Alice和Bob分别只需要制备四种态，这些二维态可以表示为：

其中{δ₁,δ₂,...,δ₈,θ₁,θ₂,θ₃,θ₄}代表制备态缺陷，可通过实验系统测量得到。β是Alice和Bob参考系之间的偏转角，下标A和B分别代表Alice和Bob各自的量子态。

(2)不受信任的第三方(UTP)在收到Alice和Bob的脉冲之后，进行贝尔态测量。在这项工作中，我们只考虑|ψ^->＝|01>-|10>事件。

(3)在收集了足够的数据之后，通过第三方的公开信息，Alice和Bob可以得到计数率

和误差率

其中，l和r表示Alice和Bob选择的强度，ξ代表{X,Y,Z}中成对的基矢组合。

(4)Alice和Bob进行参数估计、纠错和隐私放大等步骤，最后得到安全密钥。

其中有关于RFI-MDI QKD协议的密钥率R估算方式可以表示为：

其中e^-μμ是发射端信号强度为μ时的单光子概率，

是单光子计数率，

和

分别代表ZZ基下总增益和错误率。I_AE代表Eve的窃听信息，其可以表示为：

其中：

是ZZ基下的单光子误码率，H₂(x)是二进制香农熵函数，可以表示为H₂(x)＝-xlog₂(x)-(1-x)log₂(1-x)。C是中间变量，它取决于{XX,XY,YX,YY}基下的单光子误码率：

通过采用损耗容忍方案，

可以通过虚构的态

和

来确定，即：

其中

是当Alice在α基上制备比特j，同时Bob在χ基上制备比特s时的虚拟态增益，其下限和上限可以通过使用诱骗态方案来估算。若进行保守的估计，公式(7)可以改写为：

为使本发明的技术方案、目的和优点更加清楚明白，以下结合实验装置并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

对传统的的RFI-MDI QKD协议，窃听者可以将注意力转移到可能会暴露许多缺陷的编码部分。众多学者进行研究，发现采用损耗容忍是最实用的方案之一。其假设条件很少，而且已经得到了具体的证明。

针对上述方案，我们设计了相应的实验系统，来验证我们发明内容的有效性和合理性。

作为一个MDI-QKD类型的系统，Alice和Bob都具有相同的编码装置，主要用于诱骗态实施以及态制备。首先制备出的连续波(CW)激光被强度调制器(IMs)斩波，强度调制器由一个50MHz的射频信号驱动，脉冲宽度为3ns。此外，两个强度调制器还用于产生四种强度以及增加脉冲的消光比。一个额外的相位调制器(PM)用于实现相位随机化。在态制备阶段，法拉第迈克尔逊(FM)干涉环与PM相结合，发挥了相位编码的关键作用，并产生了前后峰脉冲信号。其余的两个IMs通过斩前脉冲或后脉冲来选择基矢，这些脉冲对应于时间戳基或者相位编码基。此时，发送方即可成功制备公式(1)所对应的态。当信号通过可变衰减器衰减至单光子水平后，脉冲通过光纤被送到Charlie端。在检测端，电子偏振控制器(EPC)和光延迟保持了来自Alice和Bob的脉冲的一致性。两个超导纳米线单光子探测器(SNSPD)记录贝尔态的测量结果，以便进一步公开，即实现了协议中的步骤(2)。检测端的总效率达到了60％。后续再经过参数估计和后处理等操作即可生成安全密钥。

图1为本系统发送端的装置图。

综上，本发明提出了一种具有损耗容忍的RFI-MDI QKD方法，该协议以四强度诱骗态，解决实际场景中态制备缺陷所带来的影响，同时仅需要制备四个态，降低了部分系统复杂度。本说明书中对于四强度诱骗态的分配方式进行了详细说明。同时，结合损耗容忍方案，本专利说明书中介绍了密钥的计算和生成方式。与原来的处理方案相比，我们的方案可以极大地提高密钥生成率和传输距离。此外，一些最先进的优化技术，如集体约束和联合估计，可以应用于进一步提高性能。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益结果进行了进一步详细说明，应理解的是，目前的专利说明书仅以光纤元器件组成的QKD系统为例进行了介绍，比如本发明的具体实施例使用的方法同样适用于其它片上QKD系统或自由空间QKD系统，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种具有损耗容忍的参考系和测量设备无关量子密钥分发方法，其特征在于，该方法以四强度诱骗态，结合损耗容忍方案，以解决实际场景中态制备缺陷所带来的影响，同时将调制误差和统计起伏均考虑在内。

2.根据权利要求1所述的具有损耗容忍的参考系和测量设备无关量子密钥分发方法，其特征在于，采用四强度诱骗态的RFI-MDI QKD协议，其中信号态μ只制备在Z基，其余两种诱骗态v和w，制备在Z基、X基和Y基上，且其概率分别为0.5、0.25和0.25，其余相关概率和强度均针对实际系统参数进行优化。

3.根据权利要求2所述的具有损耗容忍的参考系和测量设备无关量子密钥分发方法，其特征在于，通过额外应用损耗容忍方案，RFI-MDI QKD系统只需假设制备好的量子光是在二维态空间内的，且由于参考系和测量设备双无关协议的特性，免于参考系的校准和探测段的侧信道漏洞，进而简化系统要求。

4.根据权利要求3所述的具有损耗容忍的参考系和测量设备无关量子密钥分发方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)发送端Alice和接收端Bob调制相位随机的弱相干源，并从{μ,v,w,o}集合之中选择强度l和r，并且其相应的概率为P_l和P_r；

其中，信号态μ只制备在Z基，其余两种诱骗态v和w，制备在Z基、X基和Y基上，且其概率分别为0.5、0.25和0.25；信号态仅需要负责密钥生成，而诱骗态两个强度用来进行参数的估计；

通过采用损耗容忍方案，容忍态制备误差，且Alice和Bob分别只需制备四种态，这些二维态表示为：

其中{δ₁,δ₂,...,δ₈,θ₁,θ₂,θ₃,θ₄}代表制备态缺陷，β是Alice和Bob参考系之间的偏转角，下标A和B分别代表Alice和Bob各自的量子态；

(2)不受信任的第三方在收到Alice和Bob的脉冲之后，进行贝尔态测量；

(3)在收集了足够的数据之后，通过第三方的公开信息，Alice和Bob得到计数率

和误差率

其中，l和r表示Alice和Bob选择的强度，ξ代表{X,Y,Z}中成对的基矢组合；

(4)Alice和Bob进行包括参数估计、纠错和隐私放大的步骤，最后得到安全密钥。

5.根据权利要求4所述的具有损耗容忍的参考系和测量设备无关量子密钥分发方法，其特征在于，RFI-MDI QKD协议的密钥率R估算方式表示为：

其中e^-μμ是发射端信号强度为μ时的单光子概率，

是单光子计数率，

和

分别代表ZZ基下总增益和错误率；I_AE代表Eve的窃听信息，其表示为：

其中：

其中

是ZZ基下的单光子误码率，H₂(x)是二进制香农熵函数，表示为H₂(x)＝-xlog₂(x)-(1-x)log₂(1-x)；C是中间变量，其取决于{XX,XY,YX,YY}基下的单光子误码率：

通过采用损耗容忍方案，

可通过虚构的态

和

来确定，即：

其中

是当Alice在α基上制备比特j，同时Bob在χ基上制备比特s时的虚拟态增益，其下限和上限通过使用诱骗态方案来估算；进行保守估计，公式(7)改写为：

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