CN117692068A - 一种量子密钥分发方法及设备 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种量子密钥分发方法及设备，所述方法应用于量子密钥分发系统的任一发送端，系统包括一个接收端和两个对等的发送端，包括：对目标轮数量子检测中的每轮量子检测，将量子光源产生的光脉冲中任意两个相邻脉冲进行不重复配对，得到第一脉冲对；基于Z/X基矢以及第一脉冲对制备本轮量子态对对，并发送到接收端；对接收端的测量结果符合第一测量结果的量子态对，从其对应的第一脉冲对中确定第一待选脉冲；将目标轮数量子检测得到的全部第一待选脉冲进行不重复配对得到多个第二脉冲对，并对多个第二脉冲对进行后处理得到第一量子密钥。根据本申请提供的方案，可以基于现有的光学通信设备，实现更高成码速率的量子密钥分发。

Description

一种量子密钥分发方法及设备

技术领域

本申请涉及量子通信技术领域，尤其涉及一种量子密钥分发方法及设备。

背景技术

量子密钥分发(quantum key distribution，QKD)由于其基于量子力学原理保证的安全性，在各种安全通信环境中有着广泛的应用前景。目前，已有不少的相对成熟的量子密钥分发系统被提出以及投入使用。当前量子密钥分发系统的主要提升方向在于如何基于现有的光学设备实现更实用、稳定且低成本的系统设计。

目前满足这些条件的系统主要采取的方案为测量设备无关的量子密钥分发方案，包括基于时间槽(time-bin)编码的方案等。然而，这些方案各自也存在一定的问题，使其在实用性与效率的进一步提升上受到限制。

发明内容

为了解决上述问题，本申请提出一种量子密钥分发方法及设备，能基于现有的光学通信设备，在提升量子密钥分发系统成码率的同时降低量子系统实验与数据处理的难度。

第一方面，本申请提供一种量子密钥分发方法，所述方法应用于量子密钥分发系统的任一发送端，所述系统包括一个接收端和两个对等的发送端，所述方法包括：

对目标轮数量子检测中的每轮量子检测，将量子光源产生的光脉冲中任意两个相邻脉冲进行不重复配对，得到第一脉冲对；

基于Z/X基矢以及所述第一脉冲对制备本轮量子态对对，并发送到所述接收端；

对所述接收端的测量结果符合第一测量结果的本轮量子态对，从其对应的第一脉冲对中确定第一待选脉冲；其中，所述第一测量结果表示本轮量子态对中的两个量子态的测量结果只有一个为有响应；

将所述目标轮数量子检测得到的全部第一待选脉冲进行不重复配对得到多个第二脉冲对，并对所述多个第二脉冲对进行后处理得到第一量子密钥。

由此，本申请将符合第一测量结果的量子态对对应的第一脉冲对中的第一待选脉冲再次利用，进行第二次不重复配对得到多个第二脉冲对，并对多个第二脉冲对进行后处理得到第一量子密钥。可以提高利用第一脉冲对生成量子密钥的效率，从而提升量子密钥分发系统的成码率，以及降低后继量子系统进行实验与数据处理的难度。

第二方面，本申请提供一种量子密钥分发设备，所述设备部署于量子密钥分发系统的任一发送端，所述系统包括一个接收端和两个对等的发送端，所述设备包括：

配对模块，用于对目标轮数量子检测中的每轮量子检测，将量子光源产生的光脉冲中任意两个相邻脉冲进行不重复配对，得到第一脉冲对；

量子态制备模块，用于基于Z/X基矢以及所述第一脉冲对制备本轮量子态对，并发送到所述接收端；

处理模块，用于对所述接收端的测量结果符合第一测量结果的本轮量子态对，从其对应的第一脉冲对中确定第一待选脉冲；其中，所述第一测量结果表示本轮量子态对中的两个量子态的测量结果只有一个为有响应；

后处理模块，用于将所述目标轮数量子检测得到的全部第一待选脉冲进行不重复配对得到多个第二脉冲对，并对所述多个第二脉冲对进行后处理得到第一量子密钥。

可以理解的是，上述第二方面的有益效果可以参见上述第一方面中的相关描述，在此不再赘述。

附图说明

为了更清楚说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需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申请的一些实施例，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是相关技术提供的一种量子密钥分发协议的示意图；

图2是本申请实施例提供的一种量子密钥分发系统的工作流程图；

图3是本申请实施例提供的一种量子密钥分发方法的流程图；

图4是本申请实施例提供的一种量子探测器的结构示意图；

图5是本申请实施例提供的一种配置基矢确定规则图；

图6是本申请实施例提供的一种目标基矢确定规则图；

图7是本申请实施例提供的一种量子密钥分发设备的框架图。

具体实施方式

为了使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。

在本申请实施例的描述中，“示例性的”、“例如”或者“举例来说”等词用于表示作例子、例证或说明。本申请实施例中被描述为“示例性的”、“例如”或者“举例来说”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其它实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”、“例如”或者“举例来说”等词旨在以具体方式呈现相关概念。

在本申请实施例的描述中，术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，单独存在B，同时存在A和B这三种情况。另外，除非另有说明，术语“多个”的含义是指两个或两个以上。例如，多个系统是指两个或两个以上的系统，多个屏幕终端是指两个或两个以上的屏幕终端。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。

量子密钥分发QKD，是利用量子力学特性来保证通信安全性，从而使通信的双方能够产生并分享一个随机的、安全的密钥，来加密和解密消息的技术。尽管经典QKD具有理论上的无条件安全性，然而实际QKD系统中因为器件的不完美性仍然存在一些安全性漏洞，针对这些安全漏洞存在多种攻击方案。

而测量设备无关的量子密钥分发协议(measurement-device-independentquantum key distribution，MDI-QKD)则彻底地关闭了QKD系统所有测量端的漏洞。如图1所示，通信双方Alice和Bob分别基于光源和编码模块随机制备BB84弱相干量子态，然后通过量子传输信道发送给一个不可信的第三方Charlie进行贝尔态测量。Charlie基于预处理模块和探测器对接收的量子态进行贝尔态测量，并将测量结果对通信双方进行公布以辅助Alice和Bob建立安全的密钥。由于Alice和Bob根据后选择纠缠态建立安全的密钥，因此即使贝尔态测量设备Charlie完全为窃听者Eve所控制也不影响安全性，该协议天然地免疫所有探测器端的攻击。

目前，MDI-QKD通常使用基于时间槽(time-bin)编码的方案，具体为Alice和Bob分别将相干光源发出的光脉冲每相邻两个作为一组进行不重复的编码。在该方案中，由于编码为两个脉冲作为一组进行，因而在探测时，需要同一对中的两个脉冲均有成功探测才能提取出密钥，而两个脉冲是否成功被探测是相互独立的，这导致了大量只有一个成功探测的脉冲对无法提取密钥而被丢弃，损失了很多效率，并且在远距离(成功探测效率低)的情况下难以成码。

有鉴于此，本申请实施例通过现有的光学通信设备实现MDI-QKD，并基于MDI-QKD方案中的第一脉冲对进行成码的基础上，将原本MDI-QKD方案中丢弃的部分进行再处理。即将符合第一测量结果的量子态对对应的第一脉冲对中的第一待选脉冲再次利用，进行第二次不重复配对得到多个第二脉冲对，并对多个第二脉冲对进行后处理得到第一量子密钥。最后将基于MDI-QKD方案得到的量子密钥和第一量子密钥进行组合得到目标量子密钥，可以提高利用第一脉冲对生成量子密钥的效率，从而提升量子密钥分发系统的成码率。

另外，由于极大的提高了量子密钥分发系统的成码效率，因此可以降低后继量子系统进行实验与数据处理的难度。

示例性的，图2中示出了本申请实施例提供的一种量子密钥分发系统的工作流程图。如图2所示，该量子密钥分发系统的工作流程主要包括以下步骤：

步骤S201，量子密钥分发系统进行时钟校准和相位校准。

在本实施例中，量子密钥分发系统采用MDI-QKD协议实现量子密钥分发。量子密钥分发系统包括如图1所示的通信双方Alice和Bob，以及不可信的第三方Charlie。

在量子密钥分发过程中，通信双方Alice和Bob作为发送端需要向作为接收端的Charlie发送进行编码后的光脉冲。为了实现通信双方光脉冲的时间同步，在进行量子实验过程之前，通信双方Alice和Bob通过经典强光对量子信道的通信时钟和初始相位进行校准。

进一步的，通信双方Alice和Bob还进行相互的身份认证。

步骤S202，进行目标轮数的量子实验过程，得到目标处理数据。

在本实施例中，进行量子实验的目标轮数N根据量子通信系统所需要的密钥数量，以及量子密钥分发系统的成码率确定。目标处理数据是根据量子实验过程的测量阶段的测量结果确定的量子实验数据。

可选的，在每轮量子实验过程的量子态制备阶段，MDI-QKD使用基于时间槽(time-bin)编码的方案进行本轮量子态对的制备。以发送端Alice为例，首先图1所示的相干光源制备相关光脉冲，再将发出的光脉冲每相邻两个不重复进行分组并进行编码。编码分为四种：分别为Z基矢下的比特0，对应两个脉冲的量子态对编码为|0＞|ae^iθ＞；Z基矢下的比特1，对应态|ae^iθ＞|0＞；X基矢下的比特0，对应|be^iθ＞|be^iθ＞；X基矢下的比特1，对应|be^iθ＞|be^i(θ+π)＞。其中，a、b为对应光脉冲光强的平方根，光脉冲光强在图1所示的编码模块中进行调制，且a、b之间不一定存在关联。相位θ为随机相位，每个脉冲对中两个脉冲的随机相位相同，但不同脉冲对之间的随机相位可以不同。将每个发送的脉冲对随机选取上述的四种编码之一进行编码。

在每轮量子实验过程的量子态传输和测量阶段，通信双方的Alice和Bob作为发送端向作为接收端的Charlie发送进行编码后的光脉冲，接收端Charlie对接收到的光信号进行一定的预处理后输入到探测器中进行干涉测量，并将结果同时向通信双方的Alice和Bob进行公开。

基于时间槽(time-bin)编码的方案进行本轮量子态对的制备时，第三方Charlie公布的针对每轮量子实验的测量结果通常包括：检测通信双方的Alice和Bob的本轮量子态对有两个测量响应，或者有一个测量响应，或者无响应。

将检测通信双方的Alice和Bob的本轮量子态对有两个测量响应，或者有一个测量响应的量子实验数据作为目标处理数据。

步骤S203，进行基于MDI-QKD方案的经典通信与后处理，得到基于MDI-QKD方案的密钥。

在本实施例中，通信双方的Alice和Bob进行基于MDI-QKD方案的经典通信与后处理，包括根据第三方Charlie公布的测量结果与各自的编码信息推测对方所持密钥，并公布部分结果用于纠正误差，最终二者共享相同且私密的基于MDI-QKD方案的密钥。

由于发送端Alice和Bob将光脉冲中的两个相邻脉冲作为一组进行量子态的测量，因而在探测时，需要同一对中的两个脉冲均有成功探测才能提取出密钥。即只有测量结果为有两个测量响应的本轮量子态对对应的两个脉冲可能进行基于MDI-QKD方案的经典通信与后处理。

可选的，发送端Alice和Bob分别将测量结果为有两个测量响应的本轮量子态对对应的两个脉冲组成的脉冲对进行保留以进行基于MDI-QKD方案的经典通信与后处理。将原本需要丢弃的测量结果为有一个测量响应的本轮量子态对对应的两个脉冲组成的脉冲对进行保留进行再次后处理。将测量结果为没有测量响应的本轮量子态对对应的两个脉冲组成的脉冲对直接进行丢弃。

进一步的，对本轮量子态对的测量结果为有两个测量响应的量子实验过程轮次，通信双方的Alice和Bob进行经典的密钥映射、参数估计和密钥提取以共享相同且私密的基于MDI-QKD方案的密钥。

步骤S204，将MDI-QKD方案中原本需要丢弃的数据进行再次后处理，得到目标量子密钥。

在本实施例中，MDI-QKD方案中原本需要丢弃的数据，是第三方Charlie公布的测量结果为有一个测量响应的本轮量子态对对应的两个脉冲组成的脉冲对。

需要将进行步骤S203处理后保留的量子实验过程轮次，以及该轮次中的脉冲对按照实现约定好的方案进行处理。

可选的，对本轮量子态对，保留测量结果显示的有一个测量响应的量子态对应的第一待选脉冲。第一待选脉冲是本轮量子态对对应的脉冲对中的一个。

将目标轮数的量子实验过程得到的全部第一待选脉冲按照时间顺序进行排序，通信双方Alice和Bob依照事先约定好的方案将各自的全部第一待选脉冲进行再次不重复配对得到多个第二脉冲对。

进一步的，将多个第二脉冲对中的进行基矢的筛选得到符合预期的多个第三脉冲对。基于多个第三脉冲对进行密钥映射、参数估计和密钥提取以共享相同且私密的第一量子密钥。

更进一步的，组合上述基于MDI-QKD方案的密钥和第一量子密钥，最终得到量子密钥分发系统的目标量子密钥。

接下来，基于以上内容对本申请实施例提供的一种量子密钥分发方法进行介绍。

示例性的，图3中示出了本申请实施例提供的一种量子密钥分发方法的流程图。该量子密钥分发方法应用于量子密钥分发系统的任一发送端，量子密钥分发系统包括一个接收端和两个对等的发送端(如图1所示)。如图3所示，该方法主要包括以下步骤：

步骤S301，对目标轮数量子检测中的每轮量子检测，将量子光源产生的光脉冲中任意两个相邻脉冲进行不重复配对，得到第一脉冲对。

在本实施例中，进行量子实验的目标轮数N根据量子通信系统所需要的密钥数量，以及量子密钥分发系统的成码率确定。

对目标轮数量子检测中的每轮量子检测，将量子光源产生的光脉冲中任意两个相邻脉冲进行不重复配对，得到第一脉冲对。比如对光脉冲序列中的脉冲1234，按照12或34的方式将相邻的两个脉冲两两进行不重复的组队，得到第一脉冲对。

步骤S302，基于Z/X基矢以及第一脉冲对制备本轮量子态对，并发送到接收端。

在本实施例中，第一脉冲对制备本轮量子态对的基矢由通信双方Alice和Bob提前进行约定。

可选的，基于时间槽(time-bin)编码实现MDI-QKD时，采用Z/X基矢所对应的如步骤S202所述的四种编码方式对第一脉冲对进行调制，将制备得到的本轮量子态对发送到接收端Charlie。如步骤S202所述，第一脉冲对中的脉冲和本轮量子态中的量子态一一对应。

具体的，在第i(1≤i≤N)轮的量子实验过程中，通信的一方Alice通过量子相干光源产生一对相干态脉冲，并随机选取一个z/X基矢。若选择Z基矢，则在该对相干脉冲中随机选取一个脉冲将其光强制备为0，另一个则制备成光强为相位/>随机的脉冲。其中，光强在0，v，μ三个值中进行随机选择(0＜v＜μ)。若选择X基矢，则将两个脉冲制备为光强均为相位分别为/>与/>的相干光脉冲。其中，光强/>在0，v，μ三个值中进行随机选择(0＜v＜μ)，相位/>为随机相位，/>为随机比特。

同样的，通信的另一方Bob也采取与Alice类似的编码方式进行本轮量子态对的制备。其对应的光强可视情况也在0，v，μ三个值中进行随机选择，或另取值。Bob以随机的方式从Z/X中选择基矢、光强/>相位/>以及比特/>Bob对本轮量子态对制备过程中参数的选取，与Alice的选择相互独立。

进一步的，发送端Alice与Bob将调制后的相干光通过光纤(或其他信道)传送给接收端Charlie，并进行干涉测量。Charlie根据两个对等的发送端Alice与Bob发送的本轮量子态对确定测量结果，并将测量结果向Alice与Bob进行公布。

图4中示出了本申请实施例提供的一种量子探测器的结构示意图。该量子探测器中包括一个分束器、单光子探测器L和单光子探测器R。

如图4所示，Charlie利用量子探测器将来自Alice和Bob的本轮量子态对中的量子态依次进行探测。对于每个本轮量子态，Charlie需要利用量子探测器进行两次测量。比如，将来自Alice方的第一个量子态和来自Bob方的第一个量子态分别输入到量子探测器中，经过分束器进行处理后，单光子探测器L和单光子探测器R分别对上述第一个量子态进行探测。同理，还需要将来自Alice方的第二个量子态和来自Bob方的第二个量子态分别输入到量子探测器中再次进行测量。

对任意一次测量，如果两个单光子探测器中的任一个探测到有光子脉冲信号，则认为量子探测器有响应。并根据单光子探测器L和单光子探测器R的响应结果得到测量结果。在量子探测器中，测量结果具体呈现的情况，如下表1所示：

表1

单光子探测器L	单光子探测器R	测量结果
			有响应	无响应	有响应
无响应	有响应	有响应
			有响应	有响应	有响应
无响应	无响应	无响应

如表1所示，在量子探测器中，如果两个单光子探测器均无响应，则认为该轮量子检测的测量结果为无响应。如果单光子探测器L和单光子探测器R中任一个有响应，则认为该轮测量结果为有响应。

如果量子探测器两次的测量结果为只有一次有响应，还需要记录量子探测器有响应的测量次数，且记录该次测量的量子态。比如，是第一次测量还是第二次测量为有响应，该次测量检测的是本轮量子态对中的第一个量子态还是第二个量子态。

步骤S303，对接收端的测量结果符合第一测量结果的本轮量子态对，从其对应的第一脉冲对中确定第一待选脉冲。其中，第一测量结果表示本轮量子态对中的两个量子态的测量结果只有一个为有响应。

在本实施例中，第一测量结果表示本轮量子态中的两个量子态的测量结果只有一个为有响应。即Charlie端利用量子探测器对来自Alice和Bob的本轮量子态对中的两个量子态分别进行两次测量时，只有一次测量结果为有响应。

根据第一测量结果中记录的量子探测器的测量记录，从符合第一测量结果的本轮量子态对对应的第一脉冲对中确定第一待选脉冲。

具体的，根据测量结果，从符合第一测量结果的本轮量子态对中确定测量结果为有响应的量子态。由于第一脉冲对中的脉冲和本轮量子态中的量子态一一对应，因此还可以根据有响应的量子态从第一脉冲对中确定第一待选脉冲。比如，测量结果中记录Charlie端的量子探测器的第一次测量结果为有响应，且记录第一次测量检测本轮量子态对中的第一个量子态，则从第一脉冲对中选择第一个量子态对应的脉冲作为第一待选脉冲。

步骤S304，将目标轮数量子检测得到的全部第一待选脉冲进行不重复配对得到多个第二脉冲对，并对多个第二脉冲对进行后处理得到第一量子密钥。

在本实施例中，第一待选脉冲是MDI-QKD方案中原本需要丢弃的数据的一部分。

将目标轮数量子检测得到的全部第一待选脉冲进行不重复配对得到多个第二脉冲对。在一种实现方式中，可将全部第一待选脉冲中任意两个相邻脉冲进行不重复配对，得到多个第二脉冲对。比如第1，4，7，11轮量子实验满足第一测量结果，则1和4配，7和11配。

在另一种实现方式中，可将全部第一待选脉冲中位序差满足预设值的两个隔位脉冲进行不重复配对，得到多个第二脉冲对。预设值的大小根据量子密钥分发的效率和速率确定。比如第1，4，7，11轮量子实验满足第一测量结果，可以将隔位的脉冲1和7，4和11进行配对。此外，还可以对配对长度提一些要求，比如配对的长度不能超过某个值，否则配对被舍弃等等。配对长度指一对脉冲所属的位序差，比如1和4配对，配对长度就是3。在实际应用的时候，出于效率、正确率等的考虑可能会限制这个值不能太大，比如设置预设值为9的话，则将1和11配对就是需要舍弃的。

总之，Alice和Bob事先需要商量好二人配对的算法一致，能保证二者配对结果相同即可。

在一个示例中，Alice和Bob通过以下方式进行相位匹配、筛选与密钥映射。

对多个第二脉冲对中的每个第二脉冲对，根据每个第二脉冲对中包括的信息确定每个第二脉冲对对应的配对基矢。基于两个对等的发送端的多个第二脉冲对各自对应的配对基矢，确定多个第二脉对中每个第二脉冲对对应的目标基矢。以及从多个第二脉冲对中筛选出对应的目标基矢满足预设条件的多个第三脉冲对。

具体的，假设被配成对的为第i轮与第j轮的量子实验中第一待选脉冲，Alice与Bob各自根据对应光脉冲的光强如图5所示的规则公布手中的配对基矢。比如，第i轮和第j轮中第一待选脉冲的光强均为ν，则公布配对的基矢为X基矢。配置基矢为‘trash’，表示此次配对无效。如果第i轮的光强为‘0’，则只要对方通信端发的不是‘0’态，就记录配对基矢为‘0’态。

进一步的，根据Alice与Bob双方公布的信息，决定这一配对的目标基矢。确定目标基矢的规则如图6所示。比如，Alice和Bob都公布配置基矢为X基矢，则设备目标基矢为X基矢。图6中显示结果为‘trash’的配对会被直接丢弃，不会进入后续过程处理。

将图6中显示结果不为‘trash’的配对进行组合，得到多个第三脉冲对。

接下来，Alice和Bob基于多个第三脉冲对中每个第三脉冲对对应的目标基矢，以及每个第三脉冲对中包括的信息进行密钥映射、参数估计和密钥提取，得到第二量子密钥。

首先，对于Z基矢配对，Alice和Bob依据自身第三脉冲对的光强所在位置映射密钥，注意Alice与Bob的映射规则应相反，例如，若Alice规定0光强在第i轮对应密钥0，在第j轮对应1，则Bob应规定‘0’光强在第i轮对应1，第j轮对应0。对于X基矢配对，Alice和Bob公布各自两轮的相位差，若相位差的差为0或π，则保留，否则丢弃。对于保留的轮Alice和Bob将相位差除π得到结果的整数部分作为密钥，此外若上述相位差的差为π，则Bob需要翻转自己的密钥。同样的，若Charlie公布的第i轮与第j轮的响应结果不同，即第i轮与第j轮中发生响应的测量轮次不同，则Bob需要翻转自己的密钥。

进一步的，Alice和Bob利用所有保留的数据对，通过传统的诱骗态方法，估计Z基矢的总误码率，Z基矢的单光子比例和X基矢的单光子误码率。

更进一步的，Alice和Bob通过信息协商，确保Z基矢的原始密钥相同。他们根据参数估计结果进行保密放大，通过Hashing矩阵提取安全的密钥，得到第一量子密钥。

图3中所示的量子密钥分发方法还包括对测量结果为第二测量结果的量子态对对应的第一脉冲对进行后处理，得到第二量子密钥。后处理具体为基于Z/X基矢，以及目标轮数量子检测得到的全部第二测量结果对应的第一脉冲对中包括的信息进行密钥映射、参数估计和密钥提取，得到第二量子密钥。即对Charlie公布的两次测量结果均为有响应的脉冲对，基于MDI-QKD方案的经典通信与后处理，得到基于MDI-QKD方案的密钥，即第二量子密钥。

具体的，在密钥映射阶段，在第i轮中，若Charlie公布的测量结果为有两个探测响应，则Alice和Bob公布这一轮各自选择的基矢，若同为Z基矢或同为X基矢，则保留这一轮。若同为Z基矢，则Alice和Bob依据自身选择的‘0’光强所在位置映射密钥，注意Alice与Bob的映射规则应相反，例如，若Alice规定‘0’光强在第一个脉冲对应密钥0，在第二个脉冲对应1，则Bob应规定‘0’光强在第一个脉冲对应1，第二个脉冲对应0。若同为X基矢，则Alice将作为自己这一轮的密钥，Bob将/>翻转(0变为1，1变为0)后作为自己的密钥。

在参数估计阶段，Alice和Bob利用所有保留的数据对，通过传统的诱骗态方法，估计Z基矢的总误码率，Z基矢的单光子比例和X基矢的单光子误码率。

在密钥提取阶段，Alice和Bob通过信息协商，确保Z基矢的原始密钥相同。他们根据参数估计结果进行保密放大，通过Hashing矩阵提取安全的密钥，得到第二量子密钥。

最后，组合上述第一量子密钥和第二量子密钥得到目标量子密钥。

在一种实现方式中，可以将第一量子密钥排列在第二量子密钥的后面，得到目标量子密钥。

在另一种实现方式中，可以将第一量子密钥中的密钥位依次插入第二量子密钥的两个密钥位之间，得到目标量子密钥。

在再一种实现方式中，可以将第一量子密钥与第二量子密钥中处于相同位置的密钥位进行与/或逻辑运算，其运算结果组成的新密钥即为目标量子密钥。

比如，第二量子密钥的密钥是a1，a2，a3，a4，第一量子密钥是b1，b2，b3，则直接按顺序摆放组合一起就是a1，a2，a3，a4，b1，b2，b3。或者按顺序依次插入就是a1，b1，a2，b2，a3，b3，a4。或者可以用一些方法(比如随机矩阵)交换或者进行XOR处理，比如a1 XOR b1，a1，a2 XOR b2，a2，a3 XOR b3，a3，a4均可。基本遵循的原则就是，目标密钥的总长度等于第一量子密钥与第二量子密钥加起来的长度，并且Alice和Bob的处理方式要一样，保证最后双方的最终密钥一样。

由此，通过现有的光学通信设备实现MDI-QKD，并基于MDI-QKD方案中的第一脉冲对进行成码的基础上，将原本MDI-QKD方案中丢弃的部分进行再处理。即将符合第一测量结果的量子态对对应的第一脉冲对中的第一待选脉冲再次利用，进行第二次不重复配对得到多个第二脉冲对，并对多个第二脉冲对进行后处理得到第一量子密钥。最后将基于MDI-QKD方案得到的量子密钥和第一量子密钥进行组合得到目标量子密钥，可以提高利用第一脉冲对生成量子密钥的效率，从而提升量子密钥分发系统的成码率。

相比于现有技术，本申请实施例提供的量子密钥分发方法的主要优点在于：

1、所使用的量子密钥分发系统采用了与原有MDIQKD相同的系统设置，系统简单廉价，实用性高。

2、本方案中使用MDIQKD的编码方式，并在第一轮成码中利用MDIQKD的成码方式，保证了基础的成码效率。

3、本方案将原本MDlQKD方案不会使用的响应轮数加以利用，并进行第二轮成码，解决了原本MDIQKD方案效率不高的问题，提高了成码率。

应当注意，尽管在上述实施例中，以特定顺序描述了本公开实施例的方法的操作，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些操作，或是必须执行全部所示的操作才能实现期望的结果。相反，流程图中描绘的步骤可以改变执行顺序。附加地或备选地，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。

图7示出了本申请实施例提供的一种量子密钥分发设备的框架图。该量子密钥分发设备部署于量子密钥分发系统的任一发送端，系统包括一个接收端和两个对等的发送端。如图7所示，量子密钥分发设备700包括配对模块710、量子态制备模块720、处理模块730和后处理模块740，其中：

配对模块710，用于对目标轮数量子检测中的每轮量子检测，将量子光源产生的光脉冲中任意两个相邻脉冲进行不重复配对，得到第一脉冲对。

量子态制备模块720，用于基于Z/X基矢以及所述第一脉冲对制备本轮量子态对，并发送到所述接收端。

处理模块730，用于对所述接收端的测量结果符合第一测量结果的本轮量子态对，从其对应的第一脉冲对中确定第一待选脉冲。

后处理模块740，用于将所述目标轮数量子检测得到的全部第一待选脉冲进行不重复配对得到多个第二脉冲对，并对所述多个第二脉冲对进行后处理得到第一量子密钥

后处理模块740，还用于对所述接收端的测量结果符合第二测量结果的量子态对对应的第一脉冲对进行后处理，得到第二量子密钥。以及组合所述第一量子密钥和所述第二量子密钥得到目标量子密钥

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例的流程或功能。计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL))或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。可用介质可以是磁性介质(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如，固态硬盘(solid state disk，SSD))等。

可以理解的是，在本申请的实施例中涉及的各种数字编号仅为描述方便进行的区分，并不用来限制本申请的实施例的范围。应理解，在本申请实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。

以上的具体实施方式，对本申请的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本申请的保护范围，凡在本申请的技术方案的基础之上，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种量子密钥分发方法，其特征在于，所述方法应用于量子密钥分发系统的任一发送端，所述系统包括一个接收端和两个对等的发送端，所述方法包括：

对目标轮数量子检测中的每轮量子检测，将量子光源产生的光脉冲中任意两个相邻脉冲进行不重复配对，得到第一脉冲对；

基于Z/X基矢以及所述第一脉冲对制备本轮量子态对，并发送到所述接收端；

对所述接收端的测量结果符合第一测量结果的本轮量子态对，从其对应的第一脉冲对中确定第一待选脉冲；其中，所述第一测量结果表示本轮量子态对中的两个量子态的测量结果只有一个为有响应；

将所述目标轮数量子检测得到的全部第一待选脉冲进行不重复配对得到多个第二脉冲对，并对所述多个第二脉冲对进行后处理得到第一量子密钥。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测量结果根据所述两个对等的发送端发送的所述本轮量子态对确定。

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：

对所述接收端的测量结果符合第二测量结果的量子态对对应的第一脉冲对进行后处理，得到第二量子密钥；所述第二测量结果表示所述量子态对中的两个量子态的测量结果都为有响应；

组合所述第一量子密钥和所述第二量子密钥得到目标量子密钥。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述组合所述第一量子密钥和所述第二量子密钥得到目标量子密钥，包括：

将所述第一量子密钥排列在所述第二量子密钥的后面，得到目标量子密钥；或者

将所述第一量子密钥中的密钥位依次插入所述第二量子密钥的两个密钥位之间，得到目标量子密钥；或者

将所述第一量子密钥与所述第二量子密钥中处于相同位置的密钥位进行与/或逻辑运算，其运算结果组成的新密钥即为所述目标量子密钥。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，

所述对所述接收端的测量结果符合第二测量结果的量子态对对应的第一脉冲对进行后处理，得到第二量子密钥，包括：

基于所述Z/X基矢，以及所述目标轮数量子检测得到的全部所述第二测量结果对应的第一脉冲对中包括的信息进行密钥映射、参数估计和密钥提取，得到第二量子密钥。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述对所述接收端的测量结果符合第一测量结果的本轮量子态对，从其对应的第一脉冲对中确定第一待选脉冲，包括：

根据所述测量结果，从所述符合第一测量结果的本轮量子态对中确定测量结果为有响应的量子态；

根据所述有响应的量子态从所述第一脉冲对中确定第一待选脉冲。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述目标轮数量子检测得到的全部第一待选脉冲进行不重复配对得到多个第二脉冲对，包括：

将所述全部第一待选脉冲中任意两个相邻脉冲进行不重复配对，得到多个第二脉冲对；或者

将所述全部第一待选脉冲中位序差满足预设值的两个隔位脉冲进行不重复配对，得到多个第二脉冲对；所述预设值的大小根据所述量子密钥分发的效率和速率确定。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述多个第二脉冲对进行后处理得到第一量子密钥，包括：

对所述多个第二脉冲对中的每个第二脉冲对，根据所述每个第二脉冲对中包括的信息确定所述每个第二脉冲对对应的配对基矢；

基于所述两个对等的发送端的多个第二脉冲对各自对应的配对基矢，确定所述多个第二脉对中每个第二脉冲对对应的目标基矢；

从所述多个第二脉冲对中筛选出所述对应的目标基矢满足预设条件的多个第三脉冲对；

基于所述多个第三脉冲对确定第一量子密钥。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述基于所述多个第三脉冲对确定第一量子密钥，包括：

基于多个第三脉冲对中每个所述第三脉冲对对应的目标基矢，以及所述每个第三脉冲对中包括的信息进行密钥映射、参数估计和密钥提取，得到第一量子密钥。

10.一种量子密钥分发设备，其特征在于，所述设备部署于量子密钥分发系统的任一发送端，所述系统包括一个接收端和两个对等的发送端，所述设备包括：

配对模块，用于对目标轮数量子检测中的每轮量子检测，将量子光源产生的光脉冲中任意两个相邻脉冲进行不重复配对，得到第一脉冲对；

量子态制备模块，用于基于Z/X基矢以及所述第一脉冲对制备本轮量子态对，并发送到所述接收端；

处理模块，用于对所述接收端的测量结果符合第一测量结果的本轮量子态对，从其对应的第一脉冲对中确定第一待选脉冲；其中，所述第一测量结果表示本轮量子态对中的两个量子态的测量结果只有一个为有响应；

后处理模块，用于将所述目标轮数量子检测得到的全部第一待选脉冲进行不重复配对得到多个第二脉冲对，并对所述多个第二脉冲对进行后处理得到第一量子密钥。