CN116800420B - 异步配对的测量设备无关量子会议密钥协商方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种异步配对的测量设备无关量子会议密钥协商方法及系统，通过使用异步配对技术来实现时间‑相位编码的多光子纠缠态测量，从而实现可以移除探测端漏洞的量子会议密钥协商。相较于现有的测量设备无关量子会议密钥协商，本发明突破了量子通信直接传输极限，能够提供更高的安全码率和更远的传输距离，码率随着信道衰减呈线性衰减，且可以拓展到N方用户（N≥3）。在探测端计数率较高时，本发明可以采用较短的时间间隔随机匹配，避免了对信道传输相位漂移的校准，降低了实验要求，大大提高了安全性和实用性，并节约了实验成本。

Description

异步配对的测量设备无关量子会议密钥协商方法及系统
技术领域
本发明涉及量子通信技术领域，具体涉及一种异步配对的测量设备无关量子会议密钥协商方法及系统。
背景技术
量子通信是量子信息科学领域中目前最接近实用化的研究方向。随着计算机性能和经典算法的不断发展，经典密码学体系所依赖的计算复杂度正受到安全性方面的挑战。近年来，RSA算法不断被破解，这表明了经典密码学的脆弱性。相比之下，由于量子密码学可以依赖物理学基础提供信息论可证明的安全性，因此具有广泛的应用前景。
量子密码学的一个重要应用是量子会议密钥协商。量子会议密钥协商允许多个用户之间共享信息论安全的密钥。在2015年，借助后选择Greenberger-Horne-Zeilinger（GHZ）纠缠态测量，中国科技大学的科研人员提出了测量设备无关的量子会议密钥协商协议（MDI-QKD）。GHZ纠缠最初是为了揭示量子力学对本地实在论的极端违反而引入的，是多方量子通信任务的重要资源。该协议不需要实际制备GHZ纠缠态，克服了GHZ纠缠源的低强度和脆弱性，使得这些多方密码学任务的实际应用成为可能。其可以在实验可达到的参数范围内将后选择的GHZ纠缠分发到超过100公里的距离，且具有测量设备无关的安全性。结合诱骗态方法，该协议为实际的多方量子通信（包括量子会议密钥协商）提供了一个重要实现途径。然而，其协议的成码率随着信道衰减的N次方衰减，其中N是通信参与方数量，是单边的传输效率，受到量子通信直接传输界限：的限制。随着传输距离增加，成码率大幅度降低。在另一方面，量子信号编码通常被分为两类，即偏振编码和相位编码。在偏振编码中，用于量子会议密钥协商的信号会受到光纤双折射和时间抖动的影响，导致脉冲的偏振状态发生变化，从而导致系统误码率高、成码率低的问题。在相位编码中，测量设备无关的量子密钥分发系统由于多个独立激光器的初始相位以及光经过光纤产生的相位漂移和时间抖动的不同而产生高误码率和低稳定性的问题。
当前已有专利“实用化三方量子通信方法及系统”(CN104660347A）。该专利考虑只有三个参与方的情况。三个参与方在本地制备量子态后，发送到中心节点进行GHZ态测量。该方案需要所有参与方发送的光脉冲均到达中心节点。具体的，考虑偏振编码，该方案需要三个探测器同一时刻响应；考虑时间-相位编码，该方案需要所有参与方发送的光脉冲在探测器连续三个时刻响应，且探测器响应情况需要满足一定要求才能构成符合响应事件。总之，该方案的成码率随着信道衰减的N次方衰减/>（N为参与人数），受到量子通信直接传输界限/>的限制。随着距离的增加，该方案的成码率快速衰减，因此严重限制了其实际使用的性能。
发明内容
发明目的：本发明目的是提供一种异步配对的测量设备无关量子会议密钥协商方法及系统，解决了现有的量子会议密钥协商协议其受到量子通信直接传输界限的限制，导致其成码率低，衰减随着参与方数量的衰减，且传输距离短等问题。本发明通过对探测器响应事件进行异步配对的方式，移除了所有参与方发送的光脉冲在探测器连续时刻响应构成符合响应事件的需求，同时本发明的成码率随着信道衰减/>呈衰减/>，打破了量子通信直接传输界限，因此大幅度提升通信效率和传输距离：
技术方案：本发明一种异步配对的测量设备无关量子会议密钥协商方法，包括以下步骤；
（1）制备：第一发送端至第N发送端随机制备不同光强且相位随机的弱相干态量子信号光脉冲发往测量端；
（2）测量：测量端对来自第一发送端至第N发送端的光脉冲进行干涉测量，记录有且仅有一个探测器响应时的事件，记为一个成功响应事件；测量端包括N个探测端口，每个探测端口包括左右两个探测器，记为 ，/> ，/> ，/> …… />，/>；
（3）配对：N个发送端将N个不同时刻的成功响应事件进行配对，获得一个配对事件，其中N个不同时刻指探测端口1,2，……N分别对应的时刻，/> ，…… /> ，将这N个不同时刻的成功响应事件进行配对得到一个配对事件；
（4）基矢分配：对于每个配对事件，N个发送端根据其发送的光强，确定该配对事件的基矢；
（5）原始密钥提取：N个发送端根据配对事件的光强和相位，获取Z基矢的比特值和X基矢的比特值；
（6）参数估计：发送端公布所有X基矢的比特值，并利用诱骗态方法计算N光子态响应事件数量，再计算出X基矢下的比特错误率和Z基矢下的相位错误率，得到参数估计的结果；
（7）后处理：根据参数估计的结果用来对Z基矢的比特值串进行经典纠错，错误验证和隐私放大，得到最终密钥。
进一步的，所述步骤（1）的制备具体为：在每个时间窗口，第/>发送端随机制备不同光强且相位随机的弱相干态量子信号光脉冲发往测量端，/>，该量子信号光脉冲光强在/>中选择，其全局相位表示为/>，其中/>，编码相位表示为/>，对应的经典比特值为/>，制备的相位随机的弱相干态量子信号光脉冲表达式为/>,/>为其光强，/>为虚数单位；其中，发送端将0光强的脉冲作为真空态量子信号光脉冲并且用/>表示真空态，将/>光强的脉冲作为信号态量子信号光脉冲，将/>光强的脉冲作为诱骗态量子信号光脉冲；
所述第发送端随机制备的弱相干态量子信号光脉冲均通过量子信道发往测量端。
进一步的，所述配对事件表示为，其中/>是第/>发送端在/>，/>时刻的总光强,/>，/>,而第/>发送端两个时刻分别对应的光强为/>，其中/>表示配对事件中的前一个时刻的光脉冲，/>表示后一个时刻光脉冲。
进一步的，所述N个发送端根据其发送的光强，确定该配对事件的基矢具体过程为：
N个发送端将配对事件分配给Z基矢；
N个发送端对于配对事件，计算所有发送端全局相位差，/>是第/>发送端在/>，/>两个时刻之间的全局相位差异,当/>或/>时，则将其分配给X基矢；其他配对事件不进行基矢分配。
进一步的，所述N个发送端根据配对事件的光强和相位，获取Z基矢的比特值和X基矢的比特值具体过程为：
在Z基矢下的配对事件中，发送端发送的光强为，则获得比特0；发送的光强为/>，则获得比特1；
在X基矢下的配对事件中，每个发送端将各自两个时刻光强进行异或得到比特，再根据全局相位差和响应的探测器进行比特翻转来获得X基矢比特值；其中，当时，探测端口数量N为奇数，且N个探测端口中左探测器响应的数量为奇数，则进行比特翻转；或者探测端口数量N为偶数，且N个探测端口中左探测器响应的数量为偶数，则进行比特翻转；当/>时，探测端口数量N为奇数，且N个探测端口中左探测器响应的数量为偶数，则进行比特翻转；或者探测端口数量N为偶数，且N个探测端口中左探测器响应的数量为奇数，则进行比特翻转；比特翻转指将所有发送端中的任意一个发送端进行比特翻转，其他发送端比特值不变。
进一步的，所述步骤（6）的具体过程为：
Z基矢下，N为3，三光子态的响应事件数量的期望值 为：
其中，表示期望值，上下横线分别表示上下限，/>表示事件等效发送概率，/>表示/>事件的配对数量，
表示第/>发送端在配对事件中的前一个时刻光脉冲光强发送概率，/>表示第/>发送端在配对事件中的后一个时刻光脉冲光强发送概率；
Z基矢下，真空事件的数量计算公式为：
；
而X基矢下三光子态的响应事件数量的期望值为：
X基矢下，三光子态的比特错误率为：
其中，表示/>事件的错误事件计数,再使用随机选样，通过X基矢下的比特错误率，计算出Z基矢下三光子态的相位错误率为：，其中/>为随机不放回取样带来的统计涨落项，/>为失败概率系数， />；上述期望值和观测值之间的转换可以由切尔诺夫限制和逆切尔诺夫限制给出上下限。
进一步的，所述步骤（7）中密钥长度为：
其中，为纠错的失败概率参数， />是正的常数，经典纠错泄漏信息量至多为，其中 />为Z基矢事件数量， />为纠错效率，/>为二进制香农熵，/>为Z基矢的比特错误率。
本发明还包括一种异步配对的测量设备无关量子会议密钥协商系统，包括第一发送端至第N发送端以及测量端，所述第一发送端至第N发送端均包括脉冲激光制备模块、光强调制模块和相位调制模块；其中脉冲激光制备模块用于制备前后光强、相位、频率和偏振稳定的脉冲激光，光强调制模块用于实现对脉冲激光光强大小的调制，相位调制模块用于将光脉冲调制为随机处于任意相位的状态以及进行相位编码，并将光脉冲变为单光子量级的光脉冲；
所述测量端包括测量模块，所述测量模块用于实现单光子量级光脉冲的干涉测量和数据记录；
所述第一发送端至第N发送端以及测量端还均包括后处理模块，所述后处理模块用于实现对本端各模块的控制以及用于进行后续的筛选原始密钥串、经典纠错，错误验证和隐私放大，得到最终密钥。
进一步的，所述脉冲激光制备模块包括激光器，所述激光器用于制备前后光强、相位、频率和偏振稳定的脉冲激光；所述光强调制模块包括强度调制器，所述强度调制器用于对脉冲激光光强大小进行调制；所述相位调制模块包括相位调制器和衰减器，所述相位调制器用于对光脉冲加一个随机任意选择的相位，制备相位随机的光脉冲，并对光脉冲加0或相位，用于相位编码；所述衰减器用于将光脉冲变为平均光子数小于1的弱相干态光脉冲。
进一步的，所述测量模块包括第一至第N个1×2分束器，每个1×2分束器的输入口均与一个发送端连接，第一至第N个1×2分束器首尾依次连接形成多边型结构且相邻的1×2分束器之间通过2×2分束器连接，每个所述2×2分束器的两个输出端分别与左探测器和右探测器连接。
本发明的有益效果：本发明打破了量子通信直接传输界限，通过对探测器响应事件进行异步配对的方式，移除了连续时刻响应构成符合响应事件的需求，实现了量子会议密钥协商速率随着信道衰减 呈线性衰减/>，大幅度提升通信效率和传输距离，具有很强的安全性和实用性。
附图说明
图1为本发明N方量子会议密钥协商系统示意图
图2为本发明三方量子会议密钥协商系统示意图
图3为本发明发送端结构示意图
图4为图2中测量端结构示意图
图5为实施例2的成码率模拟结果图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步描述：
实施例1
本实施例示例性地给出了在N参与方情形下实现本发明所描述的异步配对的测量设备无关量子会议密钥协商方法及系统的一种实现方式。如图1所示，本发明系统包括第一发送端、第二发送端、第三发送端……至第N发送端以及测量端，各端协同工作以完成密钥分配任务。
第一发送端至第N发送端均包括脉冲激光制备模块、光强调制模块和相位调制模块；其中脉冲激光制备模块用于制备前后光强、相位、频率和偏振稳定的脉冲激光，光强调制模块用于实现对脉冲激光光强大小的调制，相位调制模块用于将光脉冲调制为随机处于任意相位的状态以及进行相位编码，并将光脉冲变为单光子量级的光脉冲；最终发送端制备的光脉冲为光强稳定、相位随机化和编码相位后单光子量级的光脉冲；
测量端包括测量模块，测量模块用于实现单光子量级光脉冲的干涉测量和数据记录；具体的，测量模块包括第一至第N个1×2分束器，第一至第N个1×2分束器首尾依次连接形成多边型结构且相邻的1×2分束器之间通过2×2分束器连接，2×2分束器的数量也为N个，每个1×2分束器的输入口均与一个发送端连接，即第一发送端光输入，第二发送端光输入……和第N发送端光输入，每个发送端光输入后各自经过1×2分束器分束，然后再经过2×2分束器进行干涉，每个2×2分束器的两个输出端分别与左探测器和右探测器连接，探测器对干涉光进行探测，当2N个探测器中有且仅有一个探测器响应时，记为一个成功事件。
每个发送端以及测量端还均包括后处理模块，后处理模块用于实现对本端各模块的控制以及用于进行后续的基矢公布、光强公布、相位公布、相位后选择等过程筛选原始密钥串、之后再经过经典纠错，错误验证和隐私放大过程，得到最终密钥。为简化附图，后处理模块未在图例中体现。
本发明异步配对的测量设备无关量子会议密钥协商方法，包括以下步骤：
（1）制备：第一发送端、第二发送端……至第N发送端随机制备不同光强且相位随机的弱相干态量子信号光脉冲发往测量端；
在每个时间窗口，第/>发送端随机制备不同光强且相位随机的弱相干态量子信号光脉冲发往测量端，/>,该量子信号光脉冲光强在/>中选择，其全局相位表示为/>，其中/>，编码相位表示为/>，对应的经典比特值为，制备的相位随机的弱相干态量子信号光脉冲表达式为/>,为其光强，/>为虚数单位，需要注意，光强选择集合的数量可以是任意的，这里采用三个光强；其中，发送端将0光强的脉冲作为真空态量子信号光脉冲并且用/>表示真空态，将/>光强的脉冲作为信号态量子信号光脉冲，将/>光强的脉冲作为诱骗态量子信号光脉冲；
第发送端随机制备的弱相干态量子信号光脉冲均通过量子信道发往测量端。
（2）测量：测量端对来自第一发送端至第N发送端的光脉冲进行干涉测量，记录有且仅有一个探测器响应时的事件，记为一个成功响应事件；测量端包括N个探测端口，每个探测端口包括左右两个探测器，记为，/>，/> ，/> ……/> ，/> ；
（3）配对：N个发送端将N个不同时刻的成功响应事件进行配对，获得一个配对事件，其中N个不同时刻指探测端口1,2，……N分别对应的时刻 , />…… /> ，将这N个不同时刻的成功响应事件进行配对得到一个配对事件；
配对事件表示为，其中/>是第/>发送端在 />，时刻的总光强, />，/> ,而第/>发送端两个时刻分别对应的光强为 />，其中/>表示配对事件中的前一个时刻的光脉冲，/>表示后一个时刻光脉冲。
（4）基矢分配：对于每个配对事件，N个发送端根据其发送的光强，确定该配对事件的基矢，具体过程为：
N个发送端将配对事件 分配给Z基矢；
N个发送端对于配对事件 ，计算所有发送端全局相位差，/>是第/>发送端在/>，/>两个时刻之间的全局相位差异,即/> ,当 />或 />时，则将其分配给X基矢；对于其他配对事件不进行基矢分配，只记录其数量会后续用于参数估计；
（5）原始密钥提取：N个发送端根据配对事件的光强和相位，获取Z基矢的比特值和X基矢的比特值，其具体过程为：
在Z基矢下的配对事件中，对于每个发送端，发送端发送的光强为，则获得比特0；发送的光强为/>，则获得比特1；
在X基矢下的配对事件中，每个发送端将各自两个时刻光强进行异或得到比特即计算 ，再根据全局相位差和响应的探测器进行比特翻转来获得X基矢比特值，全局相位差还是 />；比特翻转的逻辑如下，考虑GHZ态响应事件 />，利用/> ， ，将其在X基矢下展开。理想情况下，展开项中 />对应用户S旁边的探测端口S的左探测器 />响应事件， />对应用户S旁边的探测端口S的右探测器响应事件。该实施例中，先根据如上方式确定理想情况下的GHZ态响应事件的探测器响应情况。当 />时，所有非理想情况下的探测器响应进行比特翻转；当时，所有理想情况下的探测器响应进行翻转；也就是当时，探测端口数量N为奇数，且N个探测端口中左探测器响应的数量为奇数，则进行比特翻转；或者探测端口数量N为偶数，且N个探测端口中左探测器响应的数量为偶数，则进行比特翻转；当 />时，探测端口数量N为奇数，且N个探测端口中左探测器响应的数量为偶数，则进行比特翻转；或者探测端口数量N为偶数，且N个探测端口中左探测器响应的数量为奇数，则进行比特翻转；比特翻转指将所有发送端中的任意一个发送端进行比特翻转，其他发送端比特值不变。
（6）参数估计：发送端公布所有X基矢的比特值，并利用诱骗态方法计算N光子态响应事件数量，再计算出X基矢下的比特错误率和Z基矢下的相位错误率，得到参数估计的结果；
（7）后处理：根据参数估计的结果用来对Z基矢的比特值串进行经典纠错，错误验证和隐私放大，得到最终密钥。
本发明通过对探测器响应事件进行异步配对的方式，移除了所有参与方发送的光脉冲在探测器连续时刻响应构成符合响应事件的需求。本发明的成码率随着信道衰减 呈线性衰减 />，打破了量子通信直接传输界限，因此大幅度提升通信效率和传输距离。
实施例2
本实施例示例性地给出了在三个参与方情形下实现本发明所描述的异步配对的测量设备无关量子会议密钥协商方法及系统的一种实现方式。如图2所示，本发明系统包括第一发送端、第二发送端、第三发送端和测量端，第一发送端、第二发送端、第三发送端与测量端之间通过光信道连接，各端协同工作以完成密钥分配任务。
如图3所示，第一发送端、第二发送端、第三发送端均包括脉冲激光制备模块、光强调制模块和相位调制模块；脉冲激光制备模块包括激光器，激光器用于制备前后光强、相位、频率和偏振稳定的脉冲激光；光强调制模块包括强度调制器，强度调制器用于对脉冲激光光强大小进行调制；相位调制模块包括相位调制器和衰减器，相位调制器用于对光脉冲加一个随机任意选择的相位，制备相位随机的光脉冲，并对光脉冲加0或 相位，用于相位编码；衰减器用于将光脉冲变为平均光子数小于1的弱相干态光脉冲。
如图4所示，测量端包括测量模块，测量模块包括3个1×2分束器，3个1×2分束器首尾依次连接形成多边型结构且相邻的1×2分束器之间通过2×2分束器连接，2×2分束器的数量也为3个，每个1×2分束器的输入口均与一个发送端连接，即包括三个输入口，对应着第一发送端光输入，第二发送端光输入和第三发送端光输入。每个发送端光输入后各自经过1×2分束器分束，然后再经过2×2分束器进行干涉，每个2×2分束器的两个输出端分别与左探测器和右探测器连接，第一2×2分束器干涉结果输入第一左探测器、第一右探测器，第二2×2分束器干涉结果输入第二左探测器、第二右探测器，第三2×2分束器干涉结果输入第三左探测器、第三右探测器，探测器对干涉光进行探测，当6个探测器中有且仅有一个探测器响应时，记为一个成功事件。
第一发送端、第二发送端、第三发送端以及测量端还均包括后处理模块，后处理模块为计算机，用于实现对本端各模块的控制以及用于进行后续的基矢公布、光强公布、相位公布、相位后选择等过程筛选原始密钥串、之后再经过经典纠错，错误验证和隐私放大过程，得到最终密钥。为简化附图，后处理模块未在图例中体现。
本发明异步配对的测量设备无关量子会议密钥协商方法，包括以下步骤：
（1）制备：第一发送端、第二发送端和第三发送端随机制备不同光强且相位随机的弱相干态量子信号光脉冲发往测量端；
在每个时间窗口 ，第一发送端随机制备不同光强且相位随机的弱相干态量子信号光脉冲发往测量端，该量子信号光脉冲光强在/> 中选择，其全局相位表示为，其中 />，编码相位表示为 />，对应的经典比特值为/> ，制备的相位随机的弱相干态量子信号光脉冲表达式为 />,/>为其光强，/>为虚数单位；第二发送端也随机制备不同光强且相位随机的弱相干态光脉冲, />为其光强，其中光脉冲光强在 />中选择，其全局相位，编码相位表示为 />，对应的经典比特为 />；第三发送端也随机制备不同光强且相位随机的弱相干态光脉冲 />, />为其光强，其中光脉冲光强在/>中选择，其全局相位/>，编码相位表示为/>，对应的经典比特为/>；将/>光强的脉冲作为信号态量子信号光脉冲，将 />光强的脉冲作为诱骗态量子信号光脉冲；发送端随机制备的弱相干态量子信号光脉冲均通过量子信道发往测量端，并且用 />表示真空态；
（2）测量：测量端对来自第一发送端至第三发送端的光脉冲进行干涉测量，记录有且仅有一个探测器响应时的事件，记为一个成功响应事件；测量端包括三个探测端口，每个探测端口包括左右两个探测器，记为 ，/> ， />，/> ， />，/> ；
（3）配对：三个发送端将三个不同时刻的成功响应事件进行配对，获得一个配对事件，其中三个不同时刻指探测端口1，2，3分别对应的时刻 ，/>，/>，将这三个不同时刻的成功响应事件进行配对得到一个配对事件；配对事件表示为 />，其中是第一发送端在/>，/>时刻的总光强， />是第二发送端在/>，/>时刻的总光强， />是第三发送端在/>，/>时刻的总光强，而第一发送端两个时刻分别对应的光强为 />，第二发送端两个时刻分别对应的光强为 />，第三发送端两个时刻分别对应的光强为 />；
（4）基矢分配：对于每个配对事件，三个发送端根据其发送的光强，协商确定该配对事件的基矢；发送端将配对事件 分配给Z基矢；对于配对事件，计算所有发送端全局相位差 />，其中 />是两个时刻之间的全局相位差异（ />， />，）。当 />或 />时，则将其分配给X基矢；对于其他配对事件不进行基矢分配，只记录其数量会后续用于参数估计；
（5）原始密钥提取：发送端根据配对事件的光强和相位，获取Z基矢的比特值和X基矢的比特值。在Z基矢下的配对事件中，对于每个发送端，发送端发送的光强为 ，则获得比特0；发送的光强为 />，则获得比特1；
在X基矢下的配对事件中，发送端将各自两个时刻光强进行异或得到比特即计算、 />、/>，再根据全局相位差和响应的探测器进行比特翻转来获得X基矢比特值，全局相位差还是 />；比特翻转的逻辑如下：时，如果探测器响应的三个端口的探测器分别是左、左、左，或者左、右、右，或者右、左、右，或者右、右、左时，进行比特翻转。 />时，如果探测器响应的三个端口的探测器分别是右、右、右，或者右、左、左，或者左、右、左，或者左、左、右时，进行比特翻转，上述是三个探测端口的情况。比特翻转指将所有发送端中的任意一个发送端进行比特翻转，其他发送端比特值不变。
假设是四个端口八个探测器的情况，则当 时，如果探测器响应的四个端口的探测器为左、左、左、左，或者左、左、右、右，或者左、右、左、右，或者左、右、右、左，或者右、左、左、右，或者右、左、右、左，或者右、右、左、左，或者右、右、右、右时进行比特翻转；当 />时，探测器响应的四个端口的探测器分别是左、左、左、右，或者左、左、右、左，或者左、右、左、左，或者右、左、左、左，或者左、右、右、右，或者右、左、右、右，或者右、右、左、右，或者右、右、右、左时进行比特翻转；
（6）参数估计：发送端计算如下参数，用以计算最终码率。首先，发送端公布所有X基矢的比特值，并利用诱骗态方法计算三光子态响应事件数量，再计算出X基矢下的比特错误率和Z基矢下的相位错误率，得到参数估计的结果；
具体过程为：Z基矢下，三光子态的响应事件数量的期望值 为：
其中，表示期望值，上下横线分别表示上下限， />表示事件等效发送概率， />表示 />事件的配对数量，
表示第 />发送端在配对事件中的前一个时刻光脉冲光强发送概率， />表示第/>发送端在配对事件中的后一个时刻光脉冲光强发送概率；/>
然后，Z基矢下，真空事件 的数量计算公式为：
；
而X基矢下三光子态的响应事件数量的期望值 为：
X基矢下，三光子态的比特错误率为：
其中， 表示 />事件的错误事件计数,再使用随机选样，通过X基矢下的比特错误率，计算出Z基矢下三光子态的相位错误率为：，其中 />为随机不放回取样带来的统计涨落项， />为失败概率系数， />；上述期望值和观测值之间的转换可以由切尔诺夫限制和逆切尔诺夫限制给出上下限。
（7）后处理：根据参数估计的结果用来对Z基矢的比特值串进行经典纠错，错误验证和隐私放大，得到最终密钥，密钥长度为：
其中， 为纠错的失败概率参数， />是正的常数， />与隐私放大的安全性参数成正比，经典纠错泄漏信息量至多为/> ，其中 />为Z基矢事件数量， />为纠错效率， />为二进制香农熵， />为Z基矢的比特错误率。
如图5所示，本实施例的模拟结果显示，能够打破量子通信直接传输界限，其会议密钥协商距离可以达到350公里，超越了之前技术所能达到的最远距离。由此可见，本发明通过对探测器响应事件进行异步配对的方式，移除了连续时刻响应构成符合响应事件的需求，实现了量子会议密钥协商速率随着信道衰减 呈线性衰减 />，大幅度提升通信效率和传输距离，具有很强的安全性和实用性。/>

Claims (4)

1.一种异步配对的测量设备无关量子会议密钥协商方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）制备：第一发送端至第N发送端随机制备不同光强且相位随机的弱相干态量子信号光脉冲发往测量端；
（2）测量：测量端对来自第一发送端至第N发送端的光脉冲进行干涉测量，记录有且仅有一个探测器响应时的事件，记为一个成功响应事件；测量端包括N个探测端口，每个探测端口包括左右两个探测器，记为 ，/> ，/> ，/>……/> ，/> ；
（3）配对：N个发送端将N个不同时刻的成功响应事件进行配对，获得一个配对事件，其中N个不同时刻指探测端口1,2，……N分别对应的时刻 ,/>…… />，将这N个不同时刻的成功响应事件进行配对得到一个配对事件；
（4）基矢分配：对于每个配对事件，N个发送端根据其发送的光强，确定该配对事件的基矢；
（5）原始密钥提取：N个发送端根据配对事件的光强和相位，获取Z基矢的比特值和X基矢的比特值；
（6）参数估计：发送端公布所有X基矢的比特值，并利用诱骗态方法计算N光子态响应事件数量，再计算出X基矢下的比特错误率和Z基矢下的相位错误率，得到参数估计的结果；
（7）后处理：根据参数估计的结果用来对Z基矢的比特值串进行经典纠错，错误验证和隐私放大，得到最终密钥；
其中，所述步骤（1）的制备具体为：在每个时间窗口 ，第/> 发送端随机制备不同光强且相位随机的弱相干态量子信号光脉冲发往测量端，/>,该量子信号光脉冲光强在/> 中选择，其全局相位表示为/> ，其中/>，编码相位表示为 ，对应的经典比特值为/>，制备的相位随机的弱相干态量子信号光脉冲表达式为/>，/>为其光强，/>为虚数单位；其中，发送端将0光强的脉冲作为真空态量子信号光脉冲并且用/>表示真空态，将/>光强的脉冲作为信号态量子信号光脉冲，将/>光强的脉冲作为诱骗态量子信号光脉冲；
所述第发送端随机制备的弱相干态量子信号光脉冲均通过量子信道发往测量端；
所述配对事件表示为 ，其中/> 是第/>发送端在/> ，/>时刻的总光强,/>，/> ,而第/>发送端两个时刻分别对应的光强为 ，其中/>表示配对事件中的前一个时刻的光脉冲，/>表示后一个时刻光脉冲；
所述N个发送端根据其发送的光强，确定该配对事件的基矢具体过程为：
N个发送端将配对事件分配给Z基矢；
N个发送端对于配对事件，计算所有发送端全局相位差，/> 是第/> 发送端在/> ，/> 两个时刻之间的全局相位差异,当/>或/>时，则将其分配给X基矢；其他配对事件不进行基矢分配；
所述N个发送端根据配对事件的光强和相位，获取Z基矢的比特值和X基矢的比特值具体过程为：
在Z基矢下的配对事件中，发送端发送的光强为 ，则获得比特0 ；发送的光强为，则获得比特1 ；
在 X 基矢下的配对事件中，每个发送端将各自两个时刻光强进行异或得到比特，再根据全局相位差和响应的探测器进行比特翻转来获得 X 基矢比特值；其中，当时，探测端口数量N为奇数，且N个探测端口中左探测器响应的数量为奇数，则进行比特翻转；或者探测端口数量N为偶数，且N个探测端口中左探测器响应的数量为偶数，则进行比特翻转；当/>时，探测端口数量N为奇数，且N个探测端口中左探测器响应的数量为偶数，则进行比特翻转；或者探测端口数量N为偶数，且N个探测端口中左探测器响应的数量为奇数，则进行比特翻转；比特翻转指将所有发送端中的任意一个发送端进行比特翻转，其他发送端比特值不变；
所述步骤（6）的具体过程为：
Z基矢下，N为3，三光子态的响应事件数量的期望值为：
；
其中，表示期望值，上下横线分别表示上下限，/>表示 事件等效发送概率，/>表示/> 事件的配对数量，
；
表示第/>发送端在配对事件中的前一个时刻光脉冲光强发送概率，/>表示第发送端在配对事件中的后一个时刻光脉冲光强发送概率；
Z基矢下，真空事件 的数量计算公式为：
；
而X基矢下三光子态的响应事件数量的期望值为：
；
X基矢下，三光子态的比特错误率为：
；
其中，表示/>事件的错误事件计数,再使用随机选样，通过X基矢下的比特错误率，计算出Z基矢下三光子态的相位错误率为： ，其中/> 为随机不放回取样带来的统计涨落项，/> 为失败概率系数，/> ；上述期望值和观测值之间的转换由切尔诺夫限制和逆切尔诺夫限制给出上下限；
所述步骤（7）中密钥长度为：
；
其中， 为纠错的失败概率参数，/> 是正的常数，经典纠错泄漏信息量至多为 ，其中/>为Z基矢事件数量，/> 为纠错效率，/> 为二进制香农熵，/> 为Z基矢的比特错误率。
2.一种基于权利要求1所述的异步配对的测量设备无关量子会议密钥协商方法的系统，其特征在于：包括第一发送端至第N发送端以及测量端，所述第一发送端至第N发送端均包括脉冲激光制备模块、光强调制模块和相位调制模块；其中脉冲激光制备模块用于制备前后光强、相位、频率和偏振稳定的脉冲激光，光强调制模块用于实现对脉冲激光光强大小的调制，相位调制模块用于将光脉冲调制为随机处于任意相位的状态以及进行相位编码，并将光脉冲变为单光子量级的光脉冲；
所述测量端包括测量模块，所述测量模块用于实现单光子量级光脉冲的干涉测量和数据记录；
所述第一发送端至第N发送端以及测量端还均包括后处理模块，所述后处理模块用于实现对本端各模块的控制以及用于进行后续的筛选原始密钥串、经典纠错，错误验证和隐私放大，得到最终密钥。
3.根据权利要求2所述的异步配对的测量设备无关量子会议密钥协商方法的系统，其特征在于：所述脉冲激光制备模块包括激光器，所述激光器用于制备前后光强、相位、频率和偏振稳定的脉冲激光；所述光强调制模块包括强度调制器，所述强度调制器用于对脉冲激光光强大小进行调制；所述相位调制模块包括相位调制器和衰减器，所述相位调制器用于对光脉冲加一个随机任意选择的相位，制备相位随机的光脉冲，并对光脉冲加0或相位，用于相位编码；所述衰减器用于将光脉冲变为平均光子数小于1的弱相干态光脉冲。
4.根据权利要求2所述的异步配对的测量设备无关量子会议密钥协商方法的系统，其特征在于：所述测量模块包括第一至第N个1×2分束器，每个1×2分束器的输入口均与一个发送端连接，第一至第N个1×2分束器首尾依次连接形成多边型结构且相邻的1×2分束器之间通过2×2分束器连接，每个所述2×2分束器的两个输出端分别与左探测器和右探测器连接。
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