CN117714057A - 多场测量设备无关量子会议密钥协商方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多场测量设备无关量子会议密钥协商方法及系统，其中方法包括首先第一至第N发送端制备弱相干态量子信号光脉冲发往测量端，然后测量端进行相干测量；发送端根据公布的信息以及选择有无过滤的方式对成功响应事件进行筛选，获得最终成功响应事件集合并计算出成功响应事件数；再将成功响应事件进行配对，并得到原始密钥；接着使用诱骗态方法计算相位错误率，对原始的密钥进行经典纠错，错误验证和隐私放大，得到最终密钥。本发明通过异步配对，移除了需要N方用户的探测器应在同一时间窗口进行响应的要求，使得成码率得到显著提高，突破了量子通信直接传输极限；同时，该系统具备快速拓展到N方用户（N≥3）的能力。

Description

多场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，具体涉及一种多场测量设备无关量子会议密钥协商方法及系统。

背景技术

拥有无条件安全性的量子通信技术是量子信息领域最接近实用化的研究方向。传统的通讯技术的安全性在计算机性能的提高和算法的不断发展下受到了严重的威胁，然而量子通讯技术的无条件安全性完全由物理定律所保证，具有广泛的发展前景和应用价值。

量子会议密钥协商是量子通讯的重要技术之一，该技术能够使得远距离的多方用户之间获得无条件安全性的密钥，从而保证多方沟通的不受窃听者威胁。对于当前已有专利“实用化三方量子通信方法及系统”(CN104660347A），该专利提出的技术实施步骤中需要N方参与者的探测器在连续的三个时间窗口内都响应，所以其成码率表现不佳，会随着信道损耗的N次方衰减，也就是被密钥容量界限限制了。对于当前已有专利“异步配对的测量设备无关量子会议密钥协商方法及系统”（CN116800420A），该专利提出的技术实施的装置需要所有参与者们的装置首尾依次连接，形成封闭的多边形结构，这样的设置不利于用户的即时增加或减少，在应用于量子通信网络建设中具有局限性。

发明内容

发明目的：本发明目的是提供一种多场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方法受到密钥容量界限限制，导致其成码率表现不佳，衰减会随着信道损耗的N次方衰减的问题；还解决了现有的量子会议密钥协商系统不利于用户的即时增加或减少，在应用于量子通信网络建设中具有局限性的问题。本发明通过异步配对的方法增加了配对效率，移除之前量子会议密钥协商方法中需要多方用户的探测端在同一时刻都要有一个成功响应事件的要求，提高了成码率，突破了密钥容量界限。

技术方案：本发明一种多场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发送端在每一个时间窗口随机地选择光脉冲的光强、全局相位和经典编码值，并制备成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发送端的弱相干态量子信号光脉冲进行相干测量；测量端包括N-1个测量端口，每个测量端口包括左右两个探测器，记为，/>，，/>……/>，/>；且每个测量端口将满足条件的探测器响应时的事件记作一个成功响应事件；

（3）筛选：N个发送端公布每个时间窗口选择的光强和全局相位，然后根据公布的信息以及选择有无过滤的方式对成功响应事件进行筛选，筛选完成后，各个发送端根据测量端口的响应情况对其在制备时选择的经典编码值进行修改，最后获得各个相邻发送端之间的最终成功响应事件集合并计算出成功响应事件数；

（4）配对：N个发送端将N-1个不同时刻的成功响应事件配对为一个成功配对事件，并最终得到所有成功配对事件数；其中N-1个不同时刻指被配对的N-1个成功响应事件被测量端口测量时的时刻，记作；

（5）原始密钥提取：对于每个成功配对事件，N个发送端根据测量端的探测器响应情况产生一个比特值，从而得到原始的密钥；

（6）参数估计：发送端根据成功响应事件数和成功配对事件数，使用诱骗态方法计算相位错误率；

（7）后处理：发送端根据参数估计的结果对原始的密钥进行经典纠错，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/>发送端随机一个全局相位/>，一个经典编码值/>，一个光强值/>，其中/>，，/>为预设的整数值，/>，，/>表示真空态，/>表示信号态光强，/>表示诱骗态光强，选择各个光强值的概率分别为/>，之后制备的弱相干态量子信号光脉冲表达式为/>，/>为虚数单位；

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，所述步骤（2）中满足条件指：（a）探测器响应所对应的测量端口中有且仅有一个探测器响应；（b）与探测器响应所对应的测量端口相邻的测量端口中的探测器均不响应。

进一步的，所述步骤（3）的具体过程为：

若N个发送端选择无过滤的方式，N个发送端公布每个时间窗口选择的光强和全局相位后，对于第测量端口记录的每一个成功响应事件，如果其对应的两个发送端，即第/>发送端和第/>发送端选择的全局相位差值的绝对值不等于0或/>，则将该成功响应事件舍弃；如果其对应的两个发送端，即第/>发送端和第/>发送端选择的全局相位差值的绝对值等于/>，则将第/>发送端在此时间窗口选择的经典比特值翻转，其中；

然后，再根据第发送端选择的全局相位/>，把第测量端口保留下来的成功响应事件分到各个被记作/>的成功响应事件集合里，其中表示第/>发送端选择的全局相位对于/>的倍数；同时也得到了各个成功响应事件集合/>中的成功响应事件数目/>；再通过成功响应事件记录的光强选择信息，还得到第/>发送端和第/>发送端选择的光强同为的成功响应事件数目，记作/>；

若N个发送端选择有过滤的方式，N个发送端公布每个时间窗口选择的光强和全局相位后，对于第测量端口记录的每一个成功响应事件，如果其对应的两个发送端，即第发送端和第/>发送端选择的光强不一致，或者其对应的两个发送端，即第/>发送端和第/>发送端选择的全局相位差值的绝对值不等于0或/>，则将该成功响应事件舍弃；如果其对应的两个发送端，即第/>发送端和第/>发送端选择的全局相位差值的绝对值等于/>，则将第/>发送端在此时间窗口选择的经典比特值翻转；

然后，再根据第发送端选择的全局相位/>，把第测量端口保留下来的成功响应事件分到各个被记作/>的成功响应事件集合里，其中表示第/>发送端选择的全局相位对于/>的倍数；同时也得到了各个成功响应事件集合/>中的成功响应事件数目/>；再通过成功响应事件记录的光强选择信息，还得到第/>发送端和第/>发送端选择的光强同为的成功响应事件数目，记作/>。

进一步的，所述步骤（4）中的配对具体过程为：

对于同一个，/>，N个发送端从第/>测量端口的成功响应事件集合/>中任意地选择一个成功响应事件，共选出N-1个不同时刻的成功响应事件，再将这些成功响应事件配对为一个成功配对事件；一个成功响应事件被配对之后，将其从原来的成功响应事件集合中移除，之后再重复上述的随机选择成功响应事件并配对的过程，直至存在有任意一个成功响应事件集合中已经没有成功响应事件；

经过上述操作，得到对于某一个的成功配对事件数目为，得到成功配对事件的总数目为 。

进一步的，所述步骤（5）的具体过程为：

1）第一发送端产生的密钥为第一发送端在成功配对事件中记录的经典比特 ，并且第一发送端向第二发送端传输一个信号；

2）对于第 发送端，/> ，如果其接收到第 />发送端传输的信号且第/>测量端口的测量结果为左探测器 />响应，或者其没有接收到第 />发送端传输的信号且第 />测量端口的测量结果为右探测器/>响应，则第/>发送端产生的密钥为第/>发送端在成功配对事件中记录的经典比特/>，并且第/>发送端向第发送端传输一个信号，当第/>发送端为第N发送端则不传输信号；反之，则第/>发送端产生的密钥为第/>发送端在成功配对事件中记录的经典比特/>的翻转，即产生的比特值为/>，并且第/>发送端不向其他发送端发出信号。

进一步的，所述步骤（6）的具体过程为：

S1：根据在同一个全局相位选择的集合里的成功配对事件的数目为，计算出成功配对事件中属于全部选择的光强为同一个光强的配对事件数目表示为：

其中表示第/>发送端和第/>发送端发出光脉冲之后,得到被分类于成功响应事件集合/>的成功响应事件的概率，/>表示第/>发送端和第/>发送端均选择同一个光强/>来制备光脉冲且发出光脉冲之后,得到被分类于成功响应事件集合/>的成功响应事件的概率；

S2：通过诱骗态方法，由计算出各不同光子数态的产率的下界，进而计算出相位错误率的上界：

a）若N为奇数，计算出偶光子数态的产率的下界和真空态产率下界/>，进而计算出相位错误率的上界表示为：

；

其中，上下横线分别表示上下界；

b）若N为偶数，计算出奇光子数态的产率的下界，进而计算出相位错误率的上界表示为：

；

S3：根据下面公式计算出两相邻发送端选择发送光光强分别为和/>且相位相差为/>时，对应测量端口左探测器响应的概率/>和右探测器响应的概率/>；

其中，和/>分别是测量端口左探测器和右探测器的探测效率；/>和/>分别是两个发送端发送的光脉冲到达测量端口所经历的信道损耗大小；，/>表示左探测器的暗计数率；/>，/>表示右探测器的暗计数率；

S4：按下面公式计算出第发送端和第/>发送端之间都选择信号态光强/>来制备光脉冲来配对产生密钥的比特错误数/>：

其中表示每个发送端发送的弱相干态量子信号光脉冲数目，/>表示基矢相位失调错误率，再计算出第/>发送端和第/>发送端之间都选择信号态光强/>来制备光脉冲来配对产生密钥的比特错误率/>；进而计算出第一发送端和第/>发送端之间都选择信号态光强/>来制备光脉冲来配对产生密钥的比特错误率/>：

其中。

进一步的，所述最终密钥的成码率表示为：

；

其中表示每个发送端发送的弱相干态量子信号光脉冲数目，/>表示私密性系数，/>为二进制香农熵，/>为纠错效率。

本发明还包括一种基于上述的多场测量设备无关量子会议密钥协商方法的系统，包括第一至第N发送端以及测量端，所述第一至第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成任意选择的全局相位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；

所述测量端用于实现单光子量级光脉冲的干涉测量，并进行数据记录；

所述第一至第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全局相位，制备全局相位随机的光脉冲，并对光脉冲进行相位编码；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；

所述测量端包括第一至第N 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 1×2分束器首尾依次连接形成网格结构且相邻的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：

（1）本发明通过异步配对的方法增加了配对效率，移除之前量子会议密钥协商方法中需要多方用户的探测端在同一时刻都要有一个成功响应事件的要求，提高了成码率，突破了密钥容量界限；

（2）本发明通过保留从上至下的网络结构中没有接入探测器的端口，可以实现用户数目有变化时的高效适配，提高了作为构建量子通讯网络的技术的实用性。

附图说明

图1为本发明多场测量设备无关量子会议密钥协商方法的系统结构示意图；

图2为实施例1的成码率模拟结果图；

图3为本发明三方测量设备无关量子会议密钥协商方法的系统结构示意图；

图4为本发明发送端结构示意图；

图5为实施例2的成码率模拟结果图；

图6为实施例3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：

本发明提供一种多场测量设备无关量子会议密钥协商方法及系统，其优化了量子会议密钥协商技术实施步骤中的配对方法和装置设置，通过异步配对的方法增加了配对效率，移除之前量子会议密钥协商方法中需要多方用户的探测端在同一时刻都要有一个成功响应事件的要求，提高了成码率，突破了密钥容量界限；同时能够适配用户数目的变化，提高了该项技术在构建量子信息网络的实用性。

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多场测量设备无关量子会议密钥协商方法及系统的实现方式，筛选方式选择无过滤筛选方式。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。

每个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成任意选择的全局相位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；

所述测量端用于实现单光子量级光脉冲的干涉测量，并进行数据记录；具体的，测量端包括第一至第N 1×2分束器，第一至第N 1×2分束器首尾依次连接形成网格结构且相邻的1×2分束器之间通过2×2分束器连接，2×2分束器的数量为N-1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。

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光强公布、相位公布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。

本发明多场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发送端在每一个时间窗口随机地选择光脉冲的光强、全局相位和经典编码值，并制备成弱相干态量子信号光脉冲发往测量端；

在每个时间窗口，第/>发送端随机一个全局相位/>，一个经典编码值/>，一个光强值/>，其中/>，/>，/>为预设的整数值，如数值16，/>，/>，/>表示真空态，/>表示信号态光强，表示诱骗态光强，选择各个光强值的概率分别为/>，之后制备的弱相干态量子信号光脉冲表达式为/>，/>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，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发送端的弱相干态量子信号光脉冲进行相干测量；测量端包括N-1个测量端口，每个测量端口包括左右两个探测器，记为，/>，，/>……/>，/>；且每个测量端口将满足条件的探测器响应时的事件记作一个成功响应事件；满足条件指：（a）探测器响应所对应的测量端口中有且仅有一个探测器响应，也就是说该测量端口的左右两个探测器中，有且仅有一个探测器响应；（b）与探测器响应所对应的测量端口相邻的测量端口中的探测器均不响应，则说明对于第一测量端口则要求第二测量端口的两个探测器都不响应；对于第N-1测量端口要求第N-2测量端口的两个探测器都不响应；对于第X测量端口（X不等于N-1且X不等于1）要求第X-1测量端口和第X+1测量端口各自的两个探测器都不响应；

（3）筛选：N个发送端公布每个时间窗口选择的光强和全局相位，然后根据公布的信息以及选择有无过滤的方式对成功响应事件进行筛选，筛选完成后，各个发送端根据测量端口的响应情况对其在制备时选择的经典编码值进行修改，最后获得各个相邻发送端之间的最终成功响应事件集合并计算出成功响应事件数；

由于本实施例筛选方式选择无过滤筛选方式，则N个发送端公布每个时间窗口选择的光强和全局相位后，对于第测量端口记录的每一个成功响应事件，其中，也就是说对于每一个测量端口记录的每一个成功响应事件，如果其对应的两个发送端，即第/>发送端和第/>发送端选择的全局相位差值的绝对值不等于0或/>，则将该成功响应事件舍弃；如果其对应的两个发送端，即第/>发送端和第/>发送端选择的全局相位差值的绝对值等于/>，则将第/>发送端在此时间窗口选择的经典比特值翻转，即若原来是0，变成1；若原来是1，变成0；

经过上述操作之后，再根据第发送端选择的全局相位/>，把第/>测量端口保留下来的成功响应事件分到各个被记作/>的成功响应事件集合里，其中/>表示第/>发送端选择的全局相位对于/>的倍数；同时通过此步骤也得到了各个成功响应事件集合/>中的成功响应事件数目/>；再通过成功响应事件记录的光强选择信息，还得到第/>发送端和第/>发送端选择的光强同为的成功响应事件数目，记作/>；

（4）配对：N个发送端将N-1个不同时刻的成功响应事件配对为一个成功配对事件，并最终得到所有成功配对事件数；其中N-1个不同时刻指被配对的N-1个成功响应事件被测量端口测量时的时刻，记作；

其中，配对的具体过程为：

对于同一个，/>，N个发送端从第/>测量端口的成功响应事件集合/>中任意地选择一个成功响应事件，/>，也就是从每一个测量端口的成功响应事件集合/>中任意地选择一个成功响应事件，共选出N-1个不同时刻的成功响应事件，再将这些成功响应事件配对为一个成功配对事件；一个成功响应事件被配对之后，将其从原来的成功响应事件集合中移除，之后再重复上述的随机选择成功响应事件并配对的过程，直至存在有任意一个成功响应事件集合中已经没有成功响应事件；

经过上述操作，得到对于某一个的成功配对事件数目为，得到成功配对事件的总数目为。

（5）原始密钥提取：对于每个成功配对事件，N个发送端根据测量端的探测器响应情况产生一个比特值，从而得到原始的密钥，其具体过程为：

1）第一发送端产生的密钥为第一发送端在成功配对事件中记录的经典比特，并且第一发送端向第二发送端传输一个信号；

2）对于第发送端，/>，根据编号从小到大进行操作，如果其接收到第/>发送端传输的信号且第/>测量端口的测量结果为左探测器/>响应，或者其没有接收到第/>发送端传输的信号且第/>测量端口的测量结果为右探测器响应，则第/>发送端产生的密钥为第/>发送端在成功配对事件中记录的经典比特，并且第/>发送端向第/>发送端传输一个信号，当第/>发送端为第N发送端则不传输信号；反之其他情况，则第/>发送端产生的密钥为第/>发送端在成功配对事件中记录的经典比特/>的翻转，即产生的比特值为/>，并且第/>发送端不向其他发送端发出信号。

（6）参数估计：发送端根据成功响应事件数和成功配对事件数，使用诱骗态方法计算相位错误率，其具体过程为：

S1：根据上述步骤中得到在同一个全局相位选择的集合里的成功配对事件的数目为，计算出成功配对事件中属于全部选择的光强为同一个光强/>的配对事件数目表示为：

其中表示第/>发送端和第/>发送端发出光脉冲之后,得到被分类于成功响应事件集合/>的成功响应事件的概率，/>表示第/>发送端和第/>发送端均选择同一个光强/>来制备光脉冲且发出光脉冲之后,得到被分类于成功响应事件集合/>的成功响应事件的概率；

S2：通过现有技术中的诱骗态方法，由计算出各不同光子数态的产率的下界，进而计算出相位错误率的上界：

a）若N为奇数，计算出偶光子数态的产率的下界和真空态产率下界，进而计算出相位错误率的上界表示为：

；

其中，上下横线分别表示上下界；

b）若N为偶数，计算出奇光子数态的产率的下界，进而计算出相位错误率的上界表示为：

S3：根据下面公式计算出两相邻发送端选择发送光光强分别为和/>且相位相差为/>时，对应测量端口左探测器响应的概率/>和右探测器响应的概率/>；

其中，和/>分别是测量端口左探测器和右探测器的探测效率；/>和/>分别是两个发送端发送的光脉冲到达测量端口所经历的信道损耗大小；，/>表示左探测器的暗计数率；/>，表示右探测器的暗计数率；/>

S4：按下面公式计算出第发送端和第/>发送端之间都选择信号态光强/>来制备光脉冲来配对产生密钥的比特错误数/>：

其中表示每个发送端发送的弱相干态量子信号光脉冲数目，/>表示基矢相位失调错误率，其为预设的参数，再计算出第/>发送端和第/>发送端之间都选择信号态光强/>来制备光脉冲来配对产生密钥的比特错误率/>；进而计算出第一发送端和第/>发送端之间都选择信号态光强/>来制备光脉冲来配对产生密钥的比特错误率/>：

其中。

（7）后处理：发送端根据参数估计的结果对原始的密钥进行经典纠错，错误验证和隐私放大，得到最终密钥，最终密钥的成码率表示为：

；

其中表示每个发送端发送的弱相干态量子信号光脉冲数目，/>表示私密性系数，/>为二进制香农熵，/>为纠错效率。

如图2所示，本发明所述的多场测量设备无关量子会议密钥协商方法及系统在无限码长情况下无过滤配对方式的三方、四方、五方的可以得到的成码率均能超过密钥容量界限。

实施例2

本实施例示例性地给出了在3个参与方情形下实现本发明所描述的多场测量设备无关量子会议密钥协商方法及系统的实现方式，筛选方式选择无过滤筛选方式。如图3所示，本发明系统包括第一发送端、第二发送端和第三发送端共3个发送端以及1个测量端，该测量端包括2个测量端口。

如图4所示，每个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全局相位，制备全局相位随机的光脉冲，并对光脉冲进行相位编码；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；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；

测量端包括第一至第三1×2分束器，3个1×2分束器首尾依次连接形成网格结构且相邻的1×2分束器之间通过2×2分束器连接，2×2分束器的数量为2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，探测器对干涉光进行探测。

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光强公布、相位公布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。

本发明多场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在每一个时间窗口随机地选择光脉冲的光强、全局相位和经典编码值，并制备成弱相干态量子信号光脉冲发往测量端；

在每个时间窗口，第/>发送端随机一个全局相位/>，一个经典编码值/>，一个光强值/>，其中/>，/>，/>为预设的整数值，如数值16，/>，/>，/>表示真空态，/>表示信号态光强，/>表示诱骗态光强，选择各个光强值的概率分别为/>，之后第一发送端制备的弱相干态量子信号光脉冲表达式为/>，/>为虚数单位；第二发送端制备的弱相干态量子信号光脉冲表达式为/>；第三发送端制备的弱相干态量子信号光脉冲表达式为/>；其中，发送端将0光强的脉冲作为真空态量子信号光脉冲，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；第一发送端、第二发送端和第三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三发送端的弱相干态量子信号光脉冲进行相干测量；测量端包括2个测量端口，每个测量端口包括左右两个探测器，记为，/>，，/>；且每个测量端口将满足条件的探测器响应时的事件记作一个成功响应事件；满足条件指：（a）探测器响应所对应的测量端口中有且仅有一个探测器响应，也就是说该测量端口的左右两个探测器中，有且仅有一个探测器响应；（b）与探测器响应所对应的测量端口相邻的测量端口中的探测器均不响应，则说明对于第一测量端口则要求第二测量端口的两个探测器都不响应；对于第二测量端口要求第一测量端口的两个探测器都不响应；

（3）筛选：三个发送端公布每个时间窗口选择的光强和全局相位，然后根据公布的信息以及选择有无过滤的方式对成功响应事件进行筛选，筛选完成后，各个发送端根据测量端口的响应情况对其在制备时选择的经典编码值进行修改，最后获得各个相邻发送端之间的最终成功响应事件集合并计算出成功响应事件数；

由于本实施例筛选方式选择无过滤筛选方式，则三个发送端公布每个时间窗口选择的光强和全局相位后，对于第测量端口记录的每一个成功响应事件，其中/>，也就是说对于每一个测量端口记录的每一个成功响应事件，如果其对应的两个发送端，即第/>发送端和第/>发送端选择的全局相位差值的绝对值不等于0或/>，则将该成功响应事件舍弃；如果其对应的两个发送端，即第/>发送端和第/>发送端选择的全局相位差值的绝对值等于/>，则将第/>发送端在此时间窗口选择的经典比特值翻转，即若原来是0，变成1；若原来是1，变成0；

经过上述操作之后，再根据第发送端选择的全局相位/>，把第/>测量端口保留下来的成功响应事件分到各个被记作/>的成功响应事件集合里，其中/>表示第/>发送端选择的全局相位对于/>的倍数；同时通过此步骤也得到了各个成功响应事件集合/>中的成功响应事件数目/>；再通过成功响应事件记录的光强选择信息，还得到第/>发送端和第/>发送端选择的光强同为的成功响应事件数目，记作/>；

（4）配对：三个发送端将2个不同时刻的成功响应事件配对为一个成功配对事件，并最终得到所有成功配对事件数；其中2个不同时刻指被配对的2个成功响应事件被测量端口测量时的时刻，记作；

其中，配对的具体过程为：

对于同一个，/>，三个发送端从第/>测量端口的成功响应事件集合/>中任意地选择一个成功响应事件，/>，也就是从每一个测量端口的成功响应事件集合/>中任意地选择一个成功响应事件，共选出2个不同时刻的成功响应事件，再将这些成功响应事件配对为一个成功配对事件；一个成功响应事件被配对之后，将其从原来的成功响应事件集合中移除，之后再重复上述的随机选择成功响应事件并配对的过程，直至存在有任意一个成功响应事件集合中已经没有成功响应事件；/>

经过上述操作，得到对于某一个的成功配对事件数目为/>，得到成功配对事件的总数目为/>。

（5）原始密钥提取：对于每个成功配对事件，三个发送端根据测量端的探测器响应情况产生一个比特值，从而得到原始的密钥，其具体过程为：

1）第一发送端产生的密钥为第一发送端在成功配对事件中记录的经典比特，并且第一发送端向第二发送端传输一个信号；

2）对于第发送端，/>，根据编号从小到大进行操作，如果其接收到第发送端传输的信号且第/>测量端口的测量结果为左探测器/>响应，或者其没有接收到第/>发送端传输的信号且第/>测量端口的测量结果为右探测器/>响应，则第/>发送端产生的密钥为第/>发送端在成功配对事件中记录的经典比特/>，并且第/>发送端向第/>发送端传输一个信号，当第/>发送端为第三发送端则不传输信号；反之其他情况，则第/>发送端产生的密钥为第/>发送端在成功配对事件中记录的经典比特/>的翻转，即产生的比特值为/>，并且第/>发送端不向其他发送端发出信号。

（6）参数估计：发送端根据成功响应事件数和成功配对事件数，使用诱骗态方法计算相位错误率，其具体过程为：

S1：根据上述步骤中得到在同一个全局相位选择的集合里的成功配对事件的数目为，计算出成功配对事件中属于全部选择的光强为同一个光强的配对事件数目表示为：

其中表示第/>发送端和第/>发送端发出光脉冲之后,得到被分类于成功响应事件集合/>的成功响应事件的概率，/>表示第/>发送端和第/>发送端均选择同一个光强/>来制备光脉冲且发出光脉冲之后,得到被分类于成功响应事件集合/>的成功响应事件的概率，/>；

S2：通过现有技术中的诱骗态方法，由计算出各不同光子数态的产率的下界，进而计算出相位错误率的上界：

由于有三个发送端，计算出偶光子数态的产率的下界和真空态产率下界/>，进而计算出相位错误率的上界表示为

计算出相位错误率的上界表示为：

；

其中，上下横线分别表示上下界；

S3：根据下面公式计算出两相邻发送端选择发送光光强分别为和/>且相位相差为/>时，对应测量端口左探测器响应的概率/>和右探测器响应的概率/>；

其中，和/>分别是测量端口左探测器和右探测器的探测效率；/>和/>分别是两个发送端发送的光脉冲到达测量端口所经历的信道损耗大小；，/>表示左探测器的暗计数率；，/>表示右探测器的暗计数率；

S4：按下面公式计算出第发送端和第/>发送端之间都选择信号态光强/>来制备光脉冲来配对产生密钥的比特错误数/>：

其中表示每个发送端发送的弱相干态量子信号光脉冲数目，/>表示基矢相位失调错误率，其为预设的参数，再计算出第/>发送端和第/>发送端之间都选择信号态光强/>来制备光脉冲来配对产生密钥的比特错误率/>；进而计算出第一发送端和第三发送端之间都选择信号态光强/>来制备光脉冲来配对产生密钥的比特错误率：

（7）后处理：发送端根据参数估计的结果对原始的密钥进行经典纠错，错误验证和隐私放大，得到最终密钥，最终密钥的成码率表示为：

其中表示每个发送端发送的弱相干态量子信号光脉冲数目，/>表示私密性系数，/>为二进制香农熵，/>为纠错效率。

如图5所示，本发明所述的多场测量设备无关量子会议密钥协商方法及系统，在不同有限码长情况下，三方用户选择无过滤配对方式可以得到的成码率，可以看出安全传输距离表现良好，特定长度下可达到300km。

实施例3

本实施例与实施例2基本相同，不同之处在于：本实施例筛选方式选择有过滤筛选方式。那么本实施例的步骤（3）为三个发送端公布每个时间窗口选择的光强和全局相位，然后根据公布的信息以及选择有无过滤的方式对成功响应事件进行筛选，将筛选后的成功响应事件中部分成功响应事件对应的发送端比特值进行修改，最后获得各个相邻发送端之间的最终成功响应事件集合并计算出成功响应事件数；

由于本实施例筛选方式选择有过滤筛选方式，则三个发送端公布每个时间窗口选择的光强和全局相位后，对于第测量端口记录的每一个成功响应事件，其中/>，也就是说对于每一个测量端口记录的每一个成功响应事件，如果其对应的两个发送端，即第/>发送端和第/>发送端选择的光强不一致，或者其对应的两个发送端，即第/>发送端和第/>发送端选择的全局相位差值的绝对值不等于0或/>，则将该成功响应事件舍弃；如果其对应的两个发送端，即第/>发送端和第/>发送端选择的全局相位差值的绝对值等于/>，则将第/>发送端在此时间窗口选择的经典比特值翻转；即若原来是0，变成1；若原来是1，变成0；

经过上述操作之后，再根据第发送端选择的全局相位/>，把第/>测量端口保留下来的成功响应事件分到各个被记作/>的成功响应事件集合里，其中/>表示第/>发送端选择的全局相位对于/>的倍数；同时通过此步骤也得到了各个成功响应事件集合/>中的成功响应事件数目/>；再通过成功响应事件记录的光强选择信息，还得到第/>发送端和第/>发送端选择的光强同为的成功响应事件数目，记作/>。其他步骤与实施例2相同，最后得到经过经典纠错，错误验证和隐私放大的最终密钥。

如图6所示，本发明所述的多场测量设备无关量子会议密钥协商方法及系统，在不同有限码长情况下，三方用户选择有过滤配对方式可以得到的成码率，可以看出安全传输距离表现良好，特定长度下可超过300km，且超过密钥容量界限。由此可见，本发明通过异步配对的方法增加了配对效率，移除之前量子会议密钥协商方法中需要多方用户的探测端在同一时刻都要有一个成功响应事件的要求，提高了成码率，突破了密钥容量界限；而且通过保留从上至下的网络结构中没有接入探测器的端口，可以实现用户数目有变化时的高效适配，提高了作为构建量子通讯网络的技术的实用性。

Claims (10)

1.一种多场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发送端在每一个时间窗口随机地选择光脉冲的光强、全局相位和经典编码值，并制备成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发送端的弱相干态量子信号光脉冲进行相干测量；测量端包括N-1个测量端口，每个测量端口包括左右两个探测器，记为，/>，/>，……/>，/>；且每个测量端口将满足条件的探测器响应时的事件记作一个成功响应事件；

（3）筛选：N个发送端公布每个时间窗口选择的光强和全局相位，然后根据公布的信息以及选择有无过滤的方式对成功响应事件进行筛选，筛选完成后，各个发送端根据测量端口的响应情况对其在制备时选择的经典编码值进行修改，最后获得各个相邻发送端之间的最终成功响应事件集合并计算出成功响应事件数；

（4）配对：N个发送端将N-1个不同时刻的成功响应事件配对为一个成功配对事件，并最终得到所有成功配对事件数；其中N-1个不同时刻指被配对的N-1个成功响应事件被测量端口测量时的时刻，记作；

（5）原始密钥提取：对于每个成功配对事件，N个发送端根据测量端的探测器响应情况产生一个比特值，从而得到原始的密钥；

（6）参数估计：发送端根据成功响应事件数和成功配对事件数，使用诱骗态方法计算相位错误率；

（7）后处理：发送端根据参数估计的结果对原始的密钥进行经典纠错，错误验证和隐私放大，得到最终密钥。

2.根据权利要求1所述的多场测量设备无关量子会议密钥协商方法，其特征在于，所述步骤（1）的制备具体为：在每个时间窗口，第/>发送端随机一个全局相位/>，一个经典编码值/>，一个光强值/>，其中/>，/>，/>为预设的整数值，/>，/>，/>表示真空态，/>表示信号态光强，/>表示诱骗态光强，选择各个光强值的概率分别为/>，之后制备的弱相干态量子信号光脉冲表达式为/>，/>为虚数单位；

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。

3.根据权利要求1所述的多场测量设备无关量子会议密钥协商方法，其特征在于，所述步骤（2）中满足条件指：（a）探测器响应所对应的测量端口中有且仅有一个探测器响应；（b）与探测器响应所对应的测量端口相邻的测量端口中的探测器均不响应。

4.根据权利要求2所述的多场测量设备无关量子会议密钥协商方法，其特征在于，所述步骤（3）的具体过程为：

若N个发送端选择无过滤的方式，N个发送端公布每个时间窗口选择的光强和全局相位后，对于第测量端口记录的每一个成功响应事件，如果其对应的两个发送端，即第/>发送端和第/>发送端选择的全局相位差值的绝对值不等于0或/>，则将该成功响应事件舍弃；如果其对应的两个发送端，即第/>发送端和第/>发送端选择的全局相位差值的绝对值等于/>，则将第/>发送端在此时间窗口选择的经典比特值翻转，其中；

然后，再根据第发送端选择的全局相位/>，把第/>测量端口保留下来的成功响应事件分到各个被记作/>的成功响应事件集合里，其中表示第/>发送端选择的全局相位对于/>的倍数；同时也得到了各个成功响应事件集合/>中的成功响应事件数目/>；再通过成功响应事件记录的光强选择信息，还得到第/>发送端和第/>发送端选择的光强同为的成功响应事件数目，记作/>；

若N个发送端选择有过滤的方式，N个发送端公布每个时间窗口选择的光强和全局相位后，对于第测量端口记录的每一个成功响应事件，如果其对应的两个发送端，即第/>发送端和第/>发送端选择的光强不一致，或者其对应的两个发送端，即第/>发送端和第发送端选择的全局相位差值的绝对值不等于0或/>，则将该成功响应事件舍弃；如果其对应的两个发送端，即第/>发送端和第/>发送端选择的全局相位差值的绝对值等于/>，则将第/>发送端在此时间窗口选择的经典比特值翻转；

然后，再根据第发送端选择的全局相位/>，把第/>测量端口保留下来的成功响应事件分到各个被记作/>的成功响应事件集合里，其中表示第/>发送端选择的全局相位对于/>的倍数；同时也得到了各个成功响应事件集合/>中的成功响应事件数目/>；再通过成功响应事件记录的光强选择信息，还得到第/>发送端和第/>发送端选择的光强同为的成功响应事件数目，记作/>。

5.根据权利要求4所述的多场测量设备无关量子会议密钥协商方法，其特征在于，所述步骤（4）中的配对具体过程为：

对于同一个，/>，N个发送端从第/>测量端口的成功响应事件集合中任意地选择一个成功响应事件，共选出N-1个不同时刻的成功响应事件，再将这些成功响应事件配对为一个成功配对事件；一个成功响应事件被配对之后，将其从原来的成功响应事件集合中移除，之后再重复上述的随机选择成功响应事件并配对的过程，直至存在有任意一个成功响应事件集合中已经没有成功响应事件；

经过上述操作，得到对于某一个的成功配对事件数目为/>，得到成功配对事件的总数目为/>。

6.根据权利要求5所述的多场测量设备无关量子会议密钥协商方法，其特征在于，所述步骤（5）的具体过程为：

1）第一发送端产生的密钥为第一发送端在成功配对事件中记录的经典比特，并且第一发送端向第二发送端传输一个信号；

2）对于第发送端，/>，如果其接收到第/>发送端传输的信号且第测量端口的测量结果为左探测器/>响应，或者其没有接收到第/>发送端传输的信号且第/>测量端口的测量结果为右探测器/>响应，则第/>发送端产生的密钥为第/>发送端在成功配对事件中记录的经典比特/>，并且第/>发送端向第发送端传输一个信号，当第/>发送端为第N发送端则不传输信号；反之，则第/>发送端产生的密钥为第/>发送端在成功配对事件中记录的经典比特/>的翻转，即产生的比特值为/>，并且第/>发送端不向其他发送端发出信号。

7.根据权利要求6所述的多场测量设备无关量子会议密钥协商方法，其特征在于，所述步骤（6）的具体过程为：

S1：根据在同一个全局相位选择的集合里的成功配对事件的数目为，计算出成功配对事件中属于全部选择的光强为同一个光强/>的配对事件数目表示为：

；

其中表示第/>发送端和第/>发送端发出光脉冲之后,得到被分类于成功响应事件集合/>的成功响应事件的概率，/>表示第/>发送端和第/>发送端均选择同一个光强/>来制备光脉冲且发出光脉冲之后,得到被分类于成功响应事件集合/>的成功响应事件的概率；

S2：通过诱骗态方法，由计算出各不同光子数态的产率的下界，进而计算出相位错误率的上界：

a）若N为奇数，计算出偶光子数态的产率的下界和真空态产率下界/>，进而计算出相位错误率的上界表示为：

；

其中，上下横线分别表示上下界；

b）若N为偶数，计算出奇光子数态的产率的下界，进而计算出相位错误率的上界表示为：

；

S3：根据下面公式计算出两相邻发送端选择发送光光强分别为和/>且相位相差为/>时，对应测量端口左探测器响应的概率/>和右探测器响应的概率/>；

；

其中，和/>分别是测量端口左探测器和右探测器的探测效率；/>和/>分别是两个发送端发送的光脉冲到达测量端口所经历的信道损耗大小；/>，表示左探测器的暗计数率；/>，/>表示右探测器的暗计数率；

S4：按下面公式计算出第发送端和第/>发送端之间都选择信号态光强/>来制备光脉冲来配对产生密钥的比特错误数/>：

；

其中表示每个发送端发送的弱相干态量子信号光脉冲数目，/>表示基矢相位失调错误率，再计算出第/>发送端和第/>发送端之间都选择信号态光强/>来制备光脉冲来配对产生密钥的比特错误率/>；进而计算出第一发送端和第/>发送端之间都选择信号态光强/>来制备光脉冲来配对产生密钥的比特错误率/>：

；

其中。

8.根据权利要求7所述的多场测量设备无关量子会议密钥协商方法，其特征在于，所述最终密钥的成码率表示为：

；

其中表示每个发送端发送的弱相干态量子信号光脉冲数目，/>表示私密性系数，为二进制香农熵，/>为纠错效率。

9.一种基于权利要求1所述的多场测量设备无关量子会议密钥协商方法的系统，其特征在于：包括第一至第N发送端以及测量端，所述第一至第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成任意选择的全局相位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；

所述测量端用于实现单光子量级光脉冲的干涉测量，并进行数据记录；

所述第一至第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。

10.根据权利要求9所述的系统，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全局相位，制备全局相位随机的光脉冲，并对光脉冲进行相位编码；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；

所述测量端包括第一至第N 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 1×2分束器首尾依次连接形成网格结构且相邻的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。