CN115412230A - 一种高维量子密钥分发系统中的成码率获取方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种高维量子密钥分发系统中的成码率获取方法，该方法包括：在QKD系统中的发送设备和接收设备根据高维QKD协议进行量子态的制备、传输和测量后，比对发送设备和接收设备各自选择的基矢；对QKD系统基矢比对的结果纠错，得到比特错误率；根据如下关系式获取相位错误率：
Figure DDA0003084716320000011
根据比特错误率和相位错误率，隐私放大QKD系统中丢弃基矢信息后的密钥，得到成码率。本申请中，比特错误率和相位错误率直接或间接由实际测量的数据确定，不需依赖于基础的检测效率条件，此外，对相位错误率的计算更为简单，获取的数值更为紧致，从而提升了量子通信系统的成码率。

Description

一种高维量子密钥分发系统中的成码率获取方法
技术领域
本申请涉及量子通信领域，特别涉及一种高维量子密钥分发系统中的成码率获取方法。
背景技术
量子密钥分发是量子信息技术中最有应用前景的技术之一量子密钥分发系统主要包含两部分：一是硬件部分，包括发送、接收和测量装置；二是软件以及数据的后处理。量子密钥分发协议中，发送方制备量子态，接收方从量子信道(或共用信道)接收和检测量子态，双方再通过公共信道交换必要信息，通过数据后处理，含纠错、隐私放大等，最终双方得到密钥。
其中QKD最简单的形式是每个光子编码一个比特，用0或者1的方式，即一个量子态携带一个比特的信息。单个光子能够编码更多的信息，即一个量子态将携带多个比特的信息，从而码率将得以提升，也被称为高维量子密钥分发(HD-QKD)。现有的高维量子密钥分发技术核心是高维量子态的制备和测量。在高维量子密钥分发系统中在高维量子态编码中，d维的量子态需要制备包含d个状态编码的X基矢和包含d个状态编码的Z基矢，d为大于等于4的整数。但是，基于高维QKD协议的系统需要满足测量基矢无关的探测效率条件，这一条件在一部分量子密钥分发系统较难满足的。
同时上述方案在进行相位错误率估计时，其现有计算公式较为复杂，在远距离量子密钥分发条件下，其相位错误率估计值较大，将严重降低安全码率。
发明内容
本申请提供一种高维量子密钥分发系统中的成码率获取方法，可用于解决相关技术中在进行相位错误率估计时，其现有计算公式较为复杂，在远距离量子密钥分发条件下，其相位错误率估计值较大，将严重降低安全码率的问题。
本申请提供一种高维量子密钥分发系统中的成码率获取方法，所述方法包括：
在量子密钥分发QKD系统中的发送设备和接收设备根据高维QKD协议进行量子态的制备、传输和测量后，比对所述发送设备和所述接收设备各自选择的基矢；
对所述QKD系统基矢比对的结果纠错，得到所述接收设备用Z基矢测量的比特错误率
Figure BDA0003084716300000011
根据如下关系式获取所述接收设备用Z基矢测量的相位错误率：
Figure BDA0003084716300000012
所述d为是所述高维QKD协议的维度，所述
Figure BDA0003084716300000013
为所述相位错误率，所述Y0x，0x为所述发送设备采用X基矢发送出量子态|0>，且所述接收设备用x基矢检测量子态|0>的产额，所述Yjz，0x为所述发送设备采用Z基矢发送出量子态|j>，且所述接收设备用X基矢检测量子态|j>的产额；
根据所述比特错误率和所述相位错误率，隐私放大所述QKD系统中丢弃基矢信息后的密钥，得到成码率。
可选地，所述发送设备发送至少三种不同平均光子数的脉冲。
可选地，所述方法还包括：
所述发送设备制备至少三个量子态，所述至少三个量子态按照高维QKD协议制备；所述接收设备在测量接收到的量子态时，对于所述发送设备按照高维QKD协议制备的量子态，按照高维QKD协议的要求进行测量。
可选地，所述接收设备用Z基矢测量的比特错误率由实时测量得到。
可选地，所述Y0x，0x和所述Yjz，0x在通信时直接实时测量得到。
可选地，所述YXX为所述发送设备用X基矢制备量子态、所述接收设备用X基矢测量得到的产额的下界，通过计算得到，或在通信时实时测量得到。
可选地，所述YZX为所述发送设备用Z基矢制备量子态、所述接收设备用X基矢测量得到的产额的上界，通过计算得到，或在通信时实时测量得到。
可选地，所述相位错误率在获取所述比特错误率之前获取，或，和所述比特错误率同时获取。
本申请的方法中，比特错误率和相位错误率直接或间接由实际测量的数据确定，可实时监测，不需依赖于基础的检测效率条件，此外，对相位错误率的计算更为简单，获取的数值更为紧致，从而提升了量子通信系统的成码率。
附图说明
图1为本申请实施例提供的实施环境的示意图
图2为本申请一个实施例提供的高维量子密钥分发系统中的成码率获取方法的流程图。
具体实施方式
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。
本申请实施例描述的实施环境和硬件架构是为了更加清楚地说明本申请实施例的技术方案，并不构成对本申请实施例提供的技术方案的限定，本领域普通技术人员可知，随着硬件架构的演变，本申请实施例提供的技术方案对于不同实施环境下类似的技术问题，同样适用。
下面首先结合图1对本申请实施例适用的可能的实施环景进行介绍。请参考图1，基于高维QKD协议的QKD系统包括发送设备101和接受设备102。发送设备101为量子密钥发送机，通常也被称为Alice端。接收设备102为量子密钥接收机，通常也被称为Bob端。发送设备101和接受设备102通过光纤信道或自由空间信道通信连接。
请参考图2，其示出了本申请一个实施例提供的高维量子密钥分发系统中的成码率获取方法的流程图。该方法可以包括如下几个步骤。
步骤201，在量子密钥分发QKD系统中的发送设备和接收设备根据高维QKD协议进行量子态的制备、传输和测量后，比对发送设备和接收设备各自选择的基矢。
在QKD系统中，发送设备完成量子态的制备，并将各个量子态的光脉冲传输至接收设备。相应地，接收设备测量各个光脉冲即量子信号。其中，接收设备的测量结果为原始密码。当接收设备对量子信号进行测量后，将测量结果所选用的基矢信息发送至发送设备，相应地，发送设备完成基矢比对；或者，发送设备将编码的基矢信息发送至接收设备，相应地，接收设备完成基矢比对。根据基矢比对的结果，保留或者抛弃相应的原始密钥。原始密钥经过基矢比对后得到的密钥称为筛选后密钥。
可选地，量子密钥分发系统的发送方和接收方进行量子态的制备、传输和测量；但量子态的发送和制备按照如下方式进行：发送方制备不少于三个量子态，但其中三个量子态严格按照高维QKD协议的要求进行制备；接收方在测量接收到的量子态时，对于发送方严格按照高维QKD协议的要求制备的量子态，严格按照高维QKD协议的要求进行测量。
步骤202，对QKD系统基矢比对的结果纠错，得到接收设备用Z基矢测量的比特错误率。
在得到筛选后密钥之后，QKD系统需要对筛选后密钥进行纠错。筛选后密钥的纠错是量子密钥分发过程中通用步骤，本申请实施例在此不再进行赘述。在纠错过程中，直接获取接收设备用Z基矢测量的比特错误率
Figure BDA0003084716300000031
步骤203，获取所接收设备用Z基矢测量的相位错误率。
根据如下关系式获取接收设备用Z基矢测量的相位错误率：
Figure BDA0003084716300000032
d为是高维QKD协议的维度，
Figure BDA0003084716300000033
为相位错误率，Y0x，0x为发送设备采用X基矢发送出量子态|0>，且接收设备用X基矢检测量子态|0>的产额，Yjz，0x为发送设备采用Z基矢发送出量子态|j>，且接收设备用X基矢检测量子态|j>的产额。
其中，YXX为发送设备用X基矢制备量子态、接收设备用X基矢测量得到的产额，可以计算得到，也可以在实际通信时直接实时测量得到。YZX为发送设备用Z基矢制备量子态、接收设备用X基矢测量得到的产额，可以计算得到，或可在通信时实时测量得到。
可选地，上述步骤202可以在上述步骤203之后执行，也可以同时执行，本申请实施例不做具体限定。
步骤204，根据比特错误率和相位错误率，隐私放大QKD系统中丢弃基矢信息后的密钥，得到成码率。
QKD系统中的成码率也可以称为安全成码率。隐私放大是指接收设备根据比特错误率和相位错误率，将纠错后密钥压缩得到最终的密钥。该过程也被称为保密增强或密性增强。
可选地，接收设备根据如下关系式获取上述成码率：
Figure BDA0003084716300000034
Figure BDA0003084716300000035
Figure BDA0003084716300000036
Figure BDA0003084716300000037
Figure BDA0003084716300000038
Figure BDA0003084716300000039
本申请的方法中，比特错误率和相位错误率直接或间接由实际测量的数据确定，可实时监测，不需依赖于基础的检测效率条件，此外，对相位错误率的计算更为简单，获取的数值更为紧致，从而提升了量子通信系统的成码率。
此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”是指两个或多于两个。另外，为了便于清楚描述本申请实施例的技术方案，在本申请的实施例中，采用了“第一”、“第二”等字样对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。本领域技术人员可以理解“第一”、“第二”等字样并不对数量和执行次序进行限定，并且“第一”、“第二”等字样也并不限定一定不同。
以上所述的本申请实施方式并不构成对本申请保护范围的限定。

Claims (8)

1.一种高维量子密钥分发系统中的成码率获取方法，其特征在于，该方法包括：
在量子密钥分发QKD系统中的发送设备和接收设备根据高维QKD协议进行量子态的制备、传输和测量后，比对所述发送设备和所述接收设备各自选择的基矢；
对所述QKD系统基矢比对的结果纠错，得到所述接收设备用Z基矢测量的比特错误率
Figure FDA0003084716290000011
根据如下关系式获取所述接收设备用Z基矢测量的相位错误率：
Figure FDA0003084716290000012
所述d为是所述高维QKD协议的维度，所述
Figure FDA0003084716290000013
为所述相位错误率，所述Y0x，0x为所述发送设备采用X基矢发送出量子态|0>，且所述接收设备用X基矢检测量子态|0>的产额，所述Yjz，0x为所述发送设备采用Z基矢发送出量子态|j>，且所述接收设备用X基矢检测量子态|j>的产额；
根据所述比特错误率和所述相位错误率，隐私放大所述QKD系统中丢弃基矢信息后的密钥，得到成码率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发送设备发送至少三种不同平均光子数的脉冲。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
所述发送设备制备至少三个量子态，所述至少三个量子态按照高维QKD协议制备；所述接收设备在测量接收到的量子态时，对于所述发送设备按照高维QKD协议制备的量子态，按照高维QKD协议的要求进行测量。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述接收设备用Z基矢测量的比特错误率由实时测量得到。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述Y0x，0x和所述Yjz，0x在通信时直接实时测量得到。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述YXX为所述发送设备用X基矢制备量子态、所述接收设备用X基矢测量得到的产额的下界，通过计算得到，或在通信时实时测量得到。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述YZX为所述发送设备用Z基矢制备量子态、所述接收设备用X基矢测量得到的产额的上界，通过计算得到，或在通信时实时测量得到。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述相位错误率在获取所述比特错误率之前获取，或，和所述比特错误率同时获取。
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