CN117834122A - decoy-BB84系统中量子态脉冲强度调制关联性分析检测方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种decoy‑BB84系统中量子态脉冲强度调制关联性分析检测方法及装置，包括Alice端、Bob端、时序电子设备、数据分析仪，根据相邻量子态脉冲类型的不同对量子态脉冲进行分组，通过对不同组别的量子态脉冲强度进行分析，从而检验不同类型量子态脉冲之间存在的关联性。本发明实现了对基于decoy‑BB84协议的QKD系统在原始密钥分发过程所产生的量子态光脉冲间的强度关联性进行检验分析，实现对系统安全性的客观评估，对QKD系统的实际安全性提供了保障。

Description

decoy-BB84系统中量子态脉冲强度调制关联性分析检测方法 与装置

技术领域

本发明属于量子保密通信技术领域，特别涉及一种基于decoy-BB84协议的QKD系统的强度调制关联性分析检测方法及装置。

背景技术

信息安全对个人和国家都至关重要，保证通信双方所传输信息的安全性是信息安全领域中一直以来的研究重点。为保障信道传输信息的安全，人们通常采用加密的方式。但随着量子计算机的发展，量子计算机的超强计算能力使得包括RSA算法在内的一系列保密系统存在重大安全隐患。为应对量子计算机对经典密码基础体系的安全威胁，将现有的经典密码体系替换为“量子安全”的加密方式已成为各个国家保障通信安全的重大战略举措。而量子密码基于量子力学当中的不可克隆性等物理基础理论，而非如传统公钥密码体系基于计算困难性问题，因此，量子密码能够抵御量子计算机的量子攻击，并已被证明能达到信息理论安全,即通常所说的无条件安全。

量子密钥分发协议(Quantum Key Distribution，QKD)(简略如图1所示)是量子密码技术当中最具有典型性的技术之一。该技术解决了在经典密码学中的密钥对分发的重要难题，使得对称密钥对在不安全信道上可安全分发至合法通信双方。QKD利用量子物理当中的不可克隆原理，保证了以量子态为载体的密钥在不安全信道不可被窃听，并且由于该技术不基于任何数学假设，故可以抵抗量子计算机的发展所带来的安全威胁，而这正是基于数学假设的经典加密算法所无法解决的问题。由于QKD技术相对于经典密码在安全性方面的显著优势，QKD技术逐渐成为研究的热点，并在量子信息技术革命当中得到了全方面的快速发展。

随着对QKD的深入研究，研究人员发现，QKD技术理论与实际应用之间还存在着诸多差异。具体而言，这是由于在安全性证明中，包含一系列量子密码系统需要满足的假设以及对实际设备的抽象数学模型，然而这些假设和模型很有可能与实际设备不匹配。比如，有些安全假设并不能在实际中满足；或者模型并不能全面描述真实的QKD设备。例如，证明理论当中所建立的数学模型无法很好地描述实际系统；或者，实际应用中的系统在现有技术下仍然无法达到QKD进行安全性证明模型中假设；又或者，由于系统存在串扰效应，系统在运行过程中所产生的光量子脉冲可能会与之前所生成的脉冲强度存在关联性。由于上述这些差异性的存在，量子黑客可以针对理论与实际的具体差异制造出安全漏洞，并利用QKD系统中所存在的安全漏洞窃取密钥，从而威胁通信双方所传输信息的安全。

BB84作为第一个提出的QKD协议，在实际当中得到了广泛的应用，针对于BB84的安全理论模型相较于其他的QKD协议最为完备也最为成熟。BB84的顺利运行离不开两条信道：量子信道以及经典信道。假设信息发送方与接收方分别为Alice与Bob，该协议运行流程为：Alice首先选择一个长度为2n比特量子态为0-1的随机比特串记为A_n作为待筛选的密钥序列；然后Alice随机选取两组不同的极化基分别记为D或R，用来发送之前所生成的0-1随机比特串A_n，记Alice所选取的D或R序列为X_n，由上可知X_n与A_n长度一致，均为2n；其中D和R均代表Alice对于偏振基的选择，其中D代表对角基(Diagonal Bases)，R代表纵横基(Rectilinear Bases)，此时Alice将根据所选取的随机比特串A_n与X_n制备相位随机化的弱相干光脉冲，并随机地编码为四个BB84态之一，这里选取四个偏振态|H>,|V>,|+>,|->，其中|H>与|V>为纵横偏振基，而|+>与|->为对角偏振基，且紧接着，当Bob接收到根据X_n选择的偏振基发送的2n长度的A_n量子比特后，将声明接收，并选取长度与X_n一致的偏振基选择序列Y_n，并以此作为探测器在探测量子比特时所选择的探测方向，其中Y_n同样由D或R两种不同的偏振基组成，Bob将探测得到的结果记为序列B_n；而后，Alice通过经典信道公开自己发布A_n时所选择的偏振基X_n，Bob将X_n与自己在探测时所选择的偏振基序列Y_n进行比对，同时将Y_n与X_n当中取值相同的位置告知Alice，双方保留偏振基选择相同位置的A_n序列中的比特，其余舍去，此时双方所保留的比特数约为n个；最后，Alice将自己所保留下来的A_n序列当中的一部分数据公开，Bob将自己探测得到的序列B_n与之进行比对，计算保留下来的B_n当中与A_n不同的比特数误码率。若计算得到的误码率高于某一值则认为本次通信过程失败，该协议流程终止，Alice与Bob双方将放弃目前手上的数据，重新开始协议；若误码率低于该设定值，则认为该次通信成功，Alice与Bob双方进行数据的后处理，最后成功共享m比特的密钥。

由于BB84协议的实际系统无法保证到达接收端Bob的量子态光脉冲均为单光子态，导致了QKD系统漏洞的产生，攻击者可以采用PNS量子攻击的方式获取密钥信息。针对该问题，研究者提出了decoy-BB84的解决方案，该方案可以有效抵抗PNS分束攻击，目前在BB84协议的基础上采用诱骗态以抵抗PNS攻击已成为现有QKD系统所广泛采取的方法。

decoy-BB84协议的主要运行方式与BB84大致相同，但在一些方面仍存在一些差别：如，在基于decoy-BB84的QKD系统当中使用两个平均光子数不同的光源对原始的BB84协议当中的单一光源进行替代，这两个光源分别为信号态光源与诱骗态光源。其中信号态光源用于根据偏振基选择情况产生密钥信息；而诱骗态光源则作为监控器，用于监测可能发生的PNS攻击。

假设发送端为Alice，且接收端为Bob，decoy-BB84具体的运行过程如下：首先，Alice制备相位随机化的弱相干光脉冲，并将随机选取诱骗态或者信号态发送给Bob；此时由于攻击者无法区分该量子态光脉冲为诱骗态或是信号态，因此在攻击者对该系统进行PNS攻击的时候将对诱骗态和信号态的量子进行统一PNS攻击；紧接着，Bob在接收到量子态光脉冲后会向Alice反馈脉冲已接收，此时Alice通过经典信道告知Bob诱骗态以及信号态量子所对应的位置，而此时，Bob将测量诱骗态以及信号态的检测率。当不存在PNS攻击时，此时诱骗态与信号态之间的检测率比值将等于诱骗态光源与信号态光源的平均光子数的比值；相反，若攻击者在通信过程中，对系统进行了PNS攻击，此时由于诱骗态与信号态的平均光子数的差异，诱骗态与信号态光量子的检测率将发生不同的变化，此时两者的检测率将与这两种光源的平均光子数之比不匹配。由此，通过诱骗态协议，通信双方便可察觉到窃听行为，PNS攻击方式此时便已失效。

尽管decoy-BB84的提出使得一些包括PNS攻击的攻击手段失效，但当前decoy-BB84仍存在一些潜在的安全隐患需要考虑，其中，基于decoy-BB84协议的QKD系统所制备的量子态脉冲之间的强度调制关联性就是所需要考虑的安全隐患之一。近年来，随着QKD技术的不断发展，QKD系统逐渐往高速化的方向发展，QKD系统的传输距离与密钥生成速率均得到了大幅提升，现有的QKD系统甚至可实现GHz的时钟频率之下的稳定运行。然而对于QKD系统，高速而稳定地运行着的表面却隐藏着潜在的安全性问题。

当前针对于QKD系统的安全分析通常假定QKD协议所发出的脉冲为独立同分布，这意味着每个脉冲的强度与时间均为随机且无任何关联性。

而在通常的光学通信系统当中，实际应用的调制器以及电子控制器均有受到带宽的限制，而这会引起电信号的畸变。电信号不再是理论模型当中所假设的规整矩形波，电信号发生扭曲，有可能导致量子态光脉冲的强度关联及单个脉冲的强度波动，使得量子态脉冲信号之间的关联性不可避免，而这与针对QKD系统的安全分析所基于的假设不符，有可能成为系统的安全漏洞。若广泛应用的decoy-BB84协议无法消除QKD系统脉冲强度关联性，那么现有的QKD系统的安全通信将可能会存在密钥泄露的安全隐患。

为应对QKD系统脉冲强度关联性所导致的安全隐患，我们首先需要检测QKD系统所存在的脉冲强度关联性。设计一套针对于QKD系统量子态脉冲强度调制关联性分析检测方法及设备对QKD系统实用化具有重要的科学意义和实用价值。

发明内容

发明目的：鉴于现有QKD系统当中，量子态脉冲强度调制关联性的产生不可避免，针对基于decoy-BB84协议的QKD系统，为应对量子态脉冲强度调制关联性可能引发的安全漏洞，本发明提供一种QKD系统量子态脉冲强度调制关联性分析检测方法及装置，可通过对不同组别的量子态脉冲强度进行分析，从而检验不同类型量子态脉冲之间存在的关联性。本发明实现对基于decoy-BB84协议的QKD系统在原始密钥分发过程所产生的量子态光脉冲间的强度关联性进行检验分析，实现对系统安全性的客观评估，对QKD系统的实际安全性提供了保障。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种decoy-BB84系统中量子态脉冲强度调制关联性分析检测方法，若Alice与Bob的数据均可得知，包括以下步骤：

步骤1)，配置Alice端所发送的随机数文件内容。

步骤1)中所述配置的Alice端随机数文件应当使得当前所发送的光量子脉冲强度类型与上一次所发送的光量子脉冲强度类型的组合尽可能多地覆盖所有能发送出的光量子脉冲强度类型的组合。

步骤2)，Alice端制备相位随机化的弱相干光脉冲，并根据随机数文件内容编码为四个BB84态之一。获取Bob端的检测数据，将Bob端的检测数据按照步骤1)中Alice端的随机数文件内容，依照光强的强度分为不同的强度级别，将当前光脉冲强度属于相同强度级别μ_k且前一个光脉冲强度为μ_j的光脉冲分组，得到k×j个光脉冲组S_k|j。每个光脉冲组S_k|j只包含当前强度级别设置为μ_k且前一个强度级别设置为μ_j的情况下制备的脉冲对，k表示当前光脉冲考虑的强度的数量，即当前光脉冲可能的强度有k种，j表示前一个光脉冲考虑的强度的数量，即前一个光脉冲可能的强度有j种，两者一起考虑，共有k×j个分组。

步骤3)，如果QKD系统当中的光探测器是单光子类型的，则统计每个串S_k|j中存在的光子检测事件次数C_k|j，其中每个串S_k|j当中包含的量子态光脉冲个数为N_k|j。通过将计数C_k|j除以串的长度N_k|j，得到该串中的检测概率P_k|j＝C_k|j/N_k|j。对于其他类型的光探测器，则统计每个串S_k|j中检测到的总能量I_k|j。通过将总检测到的能量I_k|j除以串的长度N_k|j，可以得到平均脉冲能量E_k|j＝I_k|j/N_k|j。

步骤4)，对于所有的k和j，计算不同组当中检测概率的差异Diff_kj＝|P_k|j-P_k|j|或Diff_kj＝|E_k|j-E_k|j|，其中j≠j′。差异值Diff_kj作为描述该QKD系统所制备的光脉冲之间存在的强度调制关联性的参考值。

优选的：若Alice端的数据无法得知，而Bob端的探测数据可得知，包括以下步骤：

步骤1，Alice端制备相位随机化的弱相干光量子脉冲串S，并随机化编码为四个BB84态，并将该光量子脉冲串重复N次发送给Bob探测端。获取Bob端的检测数据。

步骤2，如果QKD系统当中的光探测器是单光子类型的，则统计所述光量子脉冲串S中每个光量子脉冲的响应事件次数C_k。通过将计数C_k除以所述光量子脉冲串重复的次数N，得到该串中的检测概率P_k＝C_k/N。对于其他类型的光探测器，则统计每个串S中每个光量子脉冲检测到的总能量I_k。通过将总检测到的能量I_k除以串的长度N，可以得到平均脉冲能量E_k＝I_k/N。

步骤3，依照所述步骤2当中计算得到的每个光量子脉冲在Bob端的检测概率或平均脉冲能量将所述光量子脉冲串当中的光量子脉冲进行分组，并将不同组的光量子脉冲视为不同的强度级别。将当前光量子脉冲强度属于相同强度级别μ_k且前一个光量子脉冲强度为μ_j的光脉冲再次分组，得到k×j个光量子脉冲组S_k|j。每个光量子脉冲组S_k|j只包含当前强度级别为μ_k且前一个强度级别为μ_j的情况下制备的脉冲对，此时该脉冲对的检测概率P_k|j或平均脉冲能量E_k|j为当前光量子脉冲强度级别为μ_k且前一个光量子脉冲强度级别为μ_j的脉冲对检测概率或平均脉冲能量之和。

步骤4，对于所有的k和j，计算不同组当中检测概率的差异Diff_kj＝|P_k|j-P_k|j|或Diff_kj＝|E_k|j-E_k|j|，其中j≠j′，差异值Diff_kj作为描述该QKD系统所制备的光脉冲之间存在的强度调制关联性的参考值。

优选的：四个BB84态为四个偏振态|H>,|V>,|+>,|->，其中|H>与|V>为纵横偏振基，基矢编码均为0且编码比特分别为0和1，而|+>与|->为对角偏振基，基矢编码均为1且编码分别为0与1，且其中偏振态的光强强度根据诱骗态协议，强度级别在s、μ、v、ω中可任意选择，s表示信号态的脉冲强度，μ、v、ω分别表示不同强度的诱骗态所对应的脉冲强度。

一种decoy-BB84系统中量子态脉冲强度调制关联性分析检测装置，采用上述decoy-BB84系统中量子态脉冲强度调制关联性分析检测方法，包括Alice端、Bob端、时序电子设备、数据分析仪，其中：

当Alice端、Bob端的数据皆可得知时：

所述Alice端用于指定随机数文件，并通过随机数文件的内容，制备相位随机化的弱相干光脉冲，并随机地编码为四个BB84态之一。

所述时序电子设备用于记录光量子被Bob端探测到的时间，并将该时间信号传输到实时数据分析仪，以供后续分析检验使用。

所述实时数据分析仪用于对Alice端所发送的光量子态脉冲进行实时强度调制关联性分析，通过统计记录Bob端对每种光强的光量子脉冲信号的有效响应的次数C_k|j，得到Alice端所发送的每种光强的光量子脉冲信号有效响应的概率P_k|j，并计算按照光强分成的不同组之间光量子脉冲有效响应概率的差异值Diff_kj作为描述该QKD系统所制备的光脉冲之间存在的强度调制关联性的参考值。

优选的：当Alice端不可得知，而Bob端的数据可得知时：

所述Alice端制备相位随机化的弱相干光脉冲串，并随机地编码为四个BB84态。

所述时序电子设备用于记录光量子被Bob端探测到的时间，并将该时间信号传输到实时数据分析仪，以供后续分析检验使用。

所述实时数据分析仪用于对Alic端所发送的光量子态脉冲进行实时强度调制关联性分析，通过统计记录Bob端对每种光强的光量子脉冲信号的有效响应的次数C_k|j，得到Alice端所发送的每种光强的光量子脉冲信号有效响应的概率P_k|j，并计算按照光强分成的不同组之间光量子脉冲有效响应概率的差异值Diff_kj作为描述该QKD系统所制备的光脉冲之间存在的强度调制关联性的参考值。

优选的：四个BB84态为四个偏振态|H>,|V>,|+>,|->，其中|H>与|V>为纵横偏振基，基矢编码均为0且编码比特分别为0和1，而|+>与|->为对角偏振基，基矢编码均为1且编码分别为0与1，且其中偏振态的光强强度根据诱骗态协议，强度级别在s、μ、v、ω中可任意选择，s表示信号态的脉冲强度，μ、v、ω分别表示不同强度的诱骗态所对应的脉冲强度。

本发明相比现有技术，具有以下有益效果：

本发明可通过表征被测试传输模块发射的光脉冲之间潜在的强度关联性，旨在检测QKD系统中的一个普遍假设，即每个预期强度的发射脉冲的强度与底层强度调制模式无关。本发明首次提出了一套针对于采用单光子探测器的QKD系统的检测方法，同时该方法也可对采用经典光探测器的QKD系统进行检测。本发明可轻松推广到被测试传输模块发射的任何一组脉冲，并适用于发射不同强度光脉冲的QKD协议。

本发明通过对QKD系统所制备的光量子脉冲强度关联性进行分析检测，从而避免信息泄露带来的安全隐患，对QKD系统的实际安全性提供了直接保障。本发明对推动量子保密通信中安全性和可靠性的研究具有重要指导意义，对推动QKD系统实用化具有重要的科学意义和实用价值。

附图说明

图1为量子密钥分发系统简略示意图。

图2为基矢编码、编码比特与量子态对照关系示意图。

图3为decoy-BB84系统中量子态脉冲强度调制关联性分析检测装置1。

图4为decoy-BB84系统中量子态脉冲强度调制关联性分析检测装置2。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

一种decoy-BB84系统中量子态脉冲强度调制关联性分析检测方法，其过程包括以下步骤：

若Alice与Bob的数据均可得知，则按照下述步骤进行：

步骤1)，配置Alice所发送的随机数文件内容。所述配置的Alice端随机数文件应当使得当前所发送的光量子脉冲强度类型与上一次所发送的光量子脉冲强度类型的组合尽可能多地覆盖所有能发送出的光量子脉冲强度类型的组合。

步骤2)，Alice端制备相位随机化的弱相干光脉冲，并根据随机数文件内容编码为四个BB84态之一，这里选取四个偏振态|H>,|V>,|+>,|->，其中|H>与|V>为纵横偏振基，基矢编码均为0且编码比特分别为0和1，而|+>与|->为对角偏振基，基矢编码均为1且编码分别为0与1，且其中偏振态的光强强度根据诱骗态协议，强度级别在s、μ、v、ω中可任意选择。通过所述装置(简略如图3所示)采用实验的方法获取Bob端的检测数据。将Bob端的检测数据按照步骤1)中Alice端的随机数文件内容，依照光强的强度分为不同的强度级别，将当前光脉冲强度属于相同强度级别μ_k且前一个光脉冲强度为μ_j的光脉冲分组，得到k×j个光脉冲组S_k|j。每个光脉冲组S_k|j只包含当前强度级别设置为μ_k且前一个强度级别设置为μ_j的情况下制备的脉冲对。

步骤3)，如果QKD系统当中的光探测器是单光子类型的，则统计每个串S_k|j中存在的光子检测事件次数C_k|j，其中每个串S_k|j当中包含的量子态光脉冲个数为N_k|j。通过将计数C_k|j除以串的长度N_k|j，得到该串中的检测概率P_k|j＝C_k|j/N_k|j。对于其他类型的光探测器，则统计每个串S_k|j中检测到的总能量I_k|j。通过将总检测到的能量I_k|j除以串的长度N_k|j，可以得到平均脉冲能量E_k|j＝I_k|j/N_k|j。

步骤4)，对于所有的k和j，计算不同组当中检测概率的差异Diff_kj＝|P_k|j-P_k|j′|或Diff_kj＝|E_k|j-E_k|j′|，其中j≠j′。

通过比对步骤4)所得到的分组可得到差异值Diff_kj，而该差异值Diff_kj可作为描述该QKD系统所制备的光脉冲之间存在的强度调制关联性的参考值。

若Alice端的数据无法得知，而Bob端的探测数据可得知，则按照下述步骤进行：

步骤1)，Alice端制备相位随机化的弱相干光量子脉冲串S，并随机化编码为四个BB84态，并将该光量子脉冲串重复N次发送给Bob探测端，这里选取四个偏振态|H>，|V>，|+>，|->，其中|H>与|V>为纵横偏振基，基矢编码均为0且编码比特分别为0和1，而|+>与|->为对角偏振基，基矢编码均为1且编码分别为0与1，且其中偏振态的光强强度根据诱骗态协议，强度级别在s、μ、v、ω中可任意选择。通过所述装置(简略如图4所示)采用实验的方法获取Bob端的检测数据。

步骤2)，如果QKD系统当中的光探测器是单光子类型的，则统计所述光量子脉冲串S中每个光量子脉冲的响应事件次数C_k。通过将计数C_k除以所述光量子脉冲串重复的次数N，得到该串中的检测概率P_k＝C_k/N。对于其他类型的光探测器，则统计每个串S中每个光量子脉冲检测到的总能量I_k。通过将总检测到的能量I_k除以串的长度N，可以得到平均脉冲能量E_k＝I_k/N。

步骤3)，依照所述步骤2)当中计算得到的每个光量子脉冲在Bob探测端的检测概率或平均脉冲能量将所述光量子脉冲串当中的光量子脉冲进行分组，并将不同组的光量子脉冲视为不同的强度级别；将当前光量子脉冲强度属于相同强度级别μ_k且前一个光量子脉冲强度为μ_j的光脉冲分组，得到k×j个光量子脉冲组S_k|j。每个光量子脉冲组S_k|j只包含当前强度级别为μ_k且前一个强度级别为μ_j的情况下制备的脉冲对，此时该脉冲对的检测概率P_k|j或平均脉冲能量E_k|j为当前光量子脉冲强度级别为μ_k且前一个光量子脉冲强度级别为μ_j的脉冲对检测概率或平均脉冲能量之和。

步骤4)，对于所有的k和j，计算不同组当中检测概率的差异Diff_kj＝|P_k|j-P_k|j′|或Diff_kj＝|E_k|j-E_k|j′|，其中j≠j′。

通过比对步骤4)所得到的分组可得到差异值Diff_kj，而该差异值Diff_kj可作为描述该QKD系统所制备的光脉冲之间存在的强度调制关联性的参考值。

一种量子态脉冲强度调制关联性分析检测装置，包括Alice发送端、Bob探测端、时序电子设备、数据分析仪。

当Alice端与Bob端的数据皆可得知时，其装置如如图3所示：

所述Alice发送端用于指定随机数文件，并通过随机数文件的内容，制备相位随机化的弱相干光脉冲，并随机地编码为四个BB84态之一，这里选取四个偏振态|H>，|V>，|+>，|->，其中|H>与|V>为纵横偏振基，基矢编码均为0且编码比特分别为0和1，而|+>与|->为对角偏振基，基矢编码均为1且编码分别为0与1，且(简略如图2所示)，其中偏振态的光强强度根据诱骗态协议，强度级别在s、μ、v、ω中可任意选择。

所述时序电子设备用于记录光量子被Bob端探测到的时间，并将该时间信号传输到实时数据分析仪，以供后续分析检验使用。

所述实时数据分析仪用于对Alice数据发送端所发送的光量子态脉冲进行实时强度调制关联性分析，通过统计记录Bob端对每种光强的光量子脉冲信号的有效响应的次数C_k|j，得到Alice所发送的每种光强的光量子脉冲信号有效响应的概率P_k|j，并计算按照光强分成的不同组之间光量子脉冲有效响应概率的差异值Diff_kj作为描述该QKD系统所制备的光脉冲之间存在的强度调制关联性的参考值。

当Alice端不可得知，而Bob端的数据可得知时，其装置如图(简略如图4所示)：

所述Alice发送端制备相位随机化的弱相干光脉冲串，并随机地编码为四个BB84态，这里选取四个偏振态|H>,|V>,|+>,|->，其中|H>与|V>为纵横偏振基，基矢编码均为0且编码比特分别为0和1，而|+>与|->为对角偏振基，基矢编码均为1且编码分别为0与1，且(简略如图2所示)，其中偏振态的光强强度根据诱骗态协议，强度级别在s、μ、v、ω中可任意选择。

所述时序电子设备用于记录光量子被Bob端探测到的时间，并将该时间信号传输到实时数据分析仪，以供后续分析检验使用。

所述实时数据分析仪用于对Alice数据发送端所发送的光量子态脉冲进行实时强度调制关联性分析，通过统计记录Bob端对每种光强的光量子脉冲信号的有效响应的次数C_k|j，得到Alice所发送的每种光强的光量子脉冲信号有效响应的概率P_k|j，并计算按照光强分成的不同组之间光量子脉冲有效响应概率的差异值Diff_kj作为描述该QKD系统所制备的光脉冲之间存在的强度调制关联性的参考值。

所述量子态脉冲强度调制关联性分析检测装置运行流程如下：

当Alice端与Bob端的数据皆可得知时：

步骤1)：配置Alice端发送的随机数文件。所述配置的Alice端随机数文件应当使得当前所发送的光量子脉冲强度类型与上一次所发送的光量子脉冲强度类型的组合尽可能多地覆盖所有能发送出的光量子脉冲强度类型的组合。

步骤2)：打开Alice发送端，并配置其发射与原始数据生成阶段相等的脉冲，将所述Alice发送端的光量子发送信道连接到Bob探测端。如果使用的是带门控的探测器，则调整门的时序，使光脉冲在探测器的门期间到达，并将时序电子设备与光脉冲的发射时间同步。

步骤3)：在采集时间内使用Bob端的探测器探测从Alice端发送的光脉冲，使用时序电子设备记录时间数据，以便将每个时间与所对应的数据在Bob端被探测的时间相匹配。其中，Alice端发送的光脉冲串应当足够长，使得在采集过程中可以测量足够多的脉冲，以便在没有不良相关性的情况下计算得到检测概率或平均脉冲能量的误差。

步骤4)：必要时，可以使用Bob端探测器探测得到的数字信号和时序电子设备所制备的带时标的数字信号对齐，并将Alice端的强度调制模式与Bob端光探测器测量的计数进行互相关，以便可以得知每次Bob端光探测器探测得到的数字信号中Alice端设置的脉冲强度。

当Alice端不可得知，而Bob端的数据可得知时：

步骤1)：打开Alice发送端制备相位随机化的弱相干光脉冲串，并随机地编码为四个BB84态。将所述Alice发送端的光量子发送信道连接到Bob探测端。如果使用的是带门控的探测器，则调整门的时序，使光脉冲在探测器的门期间到达，并将时序电子设备与光脉冲的发射时间同步。

步骤2)：在采集时间内使用Bob端的探测器探测从Alice端发送的光脉冲，使用时序电子设备记录时间数据，以便将每个时间与所对应的数据在Bob端被探测的时间相匹配。其中，Alice端发送的光脉冲串应当足够长，使得在采集过程中可以测量足够多的脉冲，以便在没有不良相关性的情况下计算得到检测概率或平均脉冲能量的误差。

本发明的检测装置使用方法如下：

当Alice端与Bob端的数据皆可得知时：

A)：配置Alice端发送的随机数文件。所述配置的Alice端随机数文件应当使得当前所发送的光量子脉冲强度类型与上一次所发送的光量子脉冲强度类型的组合尽可能多地覆盖所有能发送出的光量子脉冲强度类型的组合。

B)：打开Alice发送端，并配置其发射与原始数据生成阶段相等的脉冲，将所述Alice发送端的光量子发送信道连接到Bob探测端。如果使用的是带门控的探测器，则调整门的时序，使光脉冲在探测器的门期间到达，并将时序电子设备与光脉冲的发射时间同步。

C)：在采集时间内使用Bob端的探测器探测从Alice端发送的光脉冲，使用时序电子设备记录时间数据，以便将每个时间与所对应的数据在Bob端被探测的时间相匹配。

其中，Alice端发送的光脉冲串应当足够长，使得在采集过程中可以测量足够多的脉冲，

以便在没有不良相关性的情况下计算得到检测概率或平均脉冲能量的误差。

D)：必要时，可以使用Bob端探测器探测得到的数字信号和时序电子设备所制备的带时标的数字信号对齐，并将Alice端的强度调制模式与Bob端光探测器测量的计数进行互相关，以便可以得知每次Bob端光探测器探测得到的数字信号中Alice端设置的脉冲强度。

E)：将Bob端的检测数据按照A)中Alice端的随机数文件内容，依照光强的强度分为不同的强度级别，将当前光脉冲强度属于相同强度级别μ_k且前一个光脉冲强度为μ_j的光脉冲分组，得到k×j个光脉冲组S_k|j。每个光脉冲组S_k|j只包含当前强度级别设置为μ_k且前一个强度级别设置为μ_j的情况下制备的脉冲对。

F)，如果QKD系统当中的光探测器是单光子类型的，则统计每个串S_k|j中存在的光子检测事件次数C_k|j。通过将计数C_k|j除以串的长度N_k|j，得到该串中的检测概率P_k|j＝C_k|j/N_k|j。对于其他类型的光探测器，则统计每个串S_k|j中检测到的总能量I_k|j。通过将总检测到的能量I_k|j除以串的长度_Nk|j，可以得到平均脉冲能量E_k|j＝I_k|j/N_k|j。

G)，对于所有的k和j，计算不同组当中检测概率的差异Diff_kj＝|P_k|j-P_k|j|或Diff_kj＝|E_k|j-E_k|j|，其中j≠j′。

通过比对步骤G)所得到的分组可得到差异值Diff_kj，而该差异值Diff_kj可作为描述该QKD系统所制备的光脉冲之间存在的强度调制关联性的参考值。

当Alice端不可得知，而Bob端的数据可得知时：

A)：打开Alice发送端制备相位随机化的弱相干光脉冲串S，并随机地编码为四个BB84态，并将该光量子脉冲串重复N次发送给Bob探测端。将所述Alice发送端的光量子发送信道连接到Bob探测端。如果使用的是带门控的探测器，则调整门的时序，使光脉冲在探测器的门期间到达，并将时序电子设备与光脉冲的发射时间同步。

B)：在采集时间内使用Bob端的探测器探测从Alice端发送的光脉冲，使用时序电子设备记录时间数据，以便将每个时间与所对应的数据在Bob端被探测的时间相匹配。其中，Alice端发送的光脉冲串应当足够长，使得在采集过程中可以测量足够多的脉冲，以便在没有不良相关性的情况下计算得到检测概率或平均脉冲能量的误差。

C)，如果QKD系统当中的光探测器是单光子类型的，则统计所述光量子脉冲串S中每个光量子脉冲的响应事件次数C_k。通过将计数C_i除以所述光量子脉冲串重复的次数N，得到该串中的检测概率P_k＝C_k/N。对于其他类型的光探测器，则统计每个串S中每个光量子脉冲检测到的总能量I_k。通过将总检测到的能量I_k除以光量子脉冲串重复的次数N，可以得到平均脉冲能量P_k＝I_k/N。

D)，依照所述步骤C)当中计算得到的每个光量子脉冲在Bob探测端的检测概率将所述光量子脉冲串当中的光量子脉冲进行分组，并将不同组的光量子脉冲视为不同的强度级别；将当前光量子脉冲强度属于相同强度级别μ_k且前一个光量子脉冲强度为μ_j的光脉冲再次分组，得到k×j个光量子脉冲组S_k|j。每个光量子脉冲组S_k|j只包含当前强度级别为μ_k且前一个强度级别为μ_j的情况下制备的脉冲对，此时该脉冲对的检测概率P_k|j或平均脉冲能量E_k|j为当前光量子脉冲强度级别为μ_k且前一个光量子脉冲强度级别为μ_j的脉冲对检测概率或平均脉冲能量之和。

E)，对于所有的k和j，计算不同组当中检测概率的差异Diff_kj＝|P_k|j-P_k|j|或Diff_kj＝|E_k|j-E_k|j|，其中j≠j′。

通过比对步骤E)所得到的分组可得到差异值Diff_kj，而该差异值Diff_kj可作为描述该QKD系统所制备的光脉冲之间存在的强度调制关联性的参考值。

本发明根据相邻量子态脉冲类型的不同对量子态脉冲进行分组，通过对不同组别的量子态脉冲强度进行分析，从而检验不同类型量子态脉冲之间存在的关联性。可应用于基于decoy-BB84协议的QKD系统，实现对基于decoy-BB84协议的QKD系统在原始密钥分发过程所产生的量子态光脉冲间的强度关联性进行检验分析，实现对系统安全性的客观评估，对QKD系统的实际安全性提供了保障。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种decoy-BB84系统中量子态脉冲强度调制关联性分析检测方法，其特征在于，若Alice与Bob的数据均可得知，包括以下步骤：

步骤1)，配置Alice端所发送的随机数文件内容；

步骤1)中所述配置的Alice端随机数文件应当使得当前所发送的光量子脉冲强度类型与上一次所发送的光量子脉冲强度类型的组合尽可能多地覆盖所有能发送出的光量子脉冲强度类型的组合；

步骤2)，Alice端制备相位随机化的弱相干光脉冲，并根据随机数文件内容编码为四个BB84态之一；获取Bob端的检测数据，将Bob端的检测数据按照步骤1)中Alice端的随机数文件内容，依照光强的强度分为不同的强度级别，将当前光脉冲强度属于相同强度级别μ_k且前一个光脉冲强度为μ_j的光脉冲分组，得到k×j个光脉冲组S_k|j；每个光脉冲组S_k|j只包含当前强度级别设置为μ_k且前一个强度级别设置为μ_j的情况下制备的脉冲对，k表示当前光脉冲考虑的强度的数量，即当前光脉冲可能的强度有k种，j表示前一个光脉冲考虑的强度的数量，即前一个光脉冲可能的强度有j种，两者一起考虑，共有k×j个分组；

步骤3)，如果QKD系统当中的光探测器是单光子类型的，则统计每个串S_k|j中存在的光子检测事件次数C_k|j，其中每个串S_k|j当中包含的量子态光脉冲个数为N_k|j；通过将计数C_k|j除以串的长度N_k|j，得到该串中的检测概率P_k|j＝C_k|j/N_k|j；对于其他类型的光探测器，则统计每个串S_k|j中检测到的总能量I_k|j；通过将总检测到的能量I_k|j除以串的长度N_k|j，可以得到平均脉冲能量E_k|j＝I_k|j/N_k|j；

步骤4)，对于所有的k和j，计算不同组当中检测概率的差异Diff_kj＝|P_k|j-P_k|j′|或Diff_kj＝|E_k|j-E_k|j′|，其中j≠j′；差异值Diff_kj作为描述该QKD系统所制备的光脉冲之间存在的强度调制关联性的参考值。

2.根据权利要求1所述decoy-BB84系统中量子态脉冲强度调制关联性分析检测方法，其特征在于：若Alice端的数据无法得知，而Bob端的探测数据可得知，包括以下步骤：

步骤1，Alice端制备相位随机化的弱相干光量子脉冲串S，并随机化编码为四个BB84态，并将该光量子脉冲串重复N次发送给Bob探测端；获取Bob端的检测数据；

步骤2，如果QKD系统当中的光探测器是单光子类型的，则统计所述光量子脉冲串S中每个光量子脉冲的响应事件次数C_k；通过将计数C_k除以所述光量子脉冲串重复的次数N，得到该串中的检测概率P_k＝C_k/N；对于其他类型的光探测器，则统计每个串S中每个光量子脉冲检测到的总能量I_k；通过将总检测到的能量I_k除以串的长度N，可以得到平均脉冲能量E_k＝I_k/N；

步骤3，依照所述步骤2当中计算得到的每个光量子脉冲在Bob端的检测概率或平均脉冲能量将所述光量子脉冲串当中的光量子脉冲进行分组，并将不同组的光量子脉冲视为不同的强度级别；将当前光量子脉冲强度属于相同强度级别μ_k且前一个光量子脉冲强度为μ_j的光脉冲再次分组，得到k×j个光量子脉冲组S_k|j；每个光量子脉冲组S_k|j只包含当前强度级别为μ_k且前一个强度级别为μ_j的情况下制备的脉冲对，此时该脉冲对的检测概率P_k|j或平均脉冲能量E_k|j为当前光量子脉冲强度级别为μ_k且前一个光量子脉冲强度级别为μ_j的脉冲对检测概率或平均脉冲能量之和；

步骤4，对于所有的k和j，计算不同组当中检测概率的差异Diff_kj＝|P_k|j-P_k|j|或Diff_kj＝|E_k|j-E_k|j′|，其中j≠j′，差异值Diff_kj作为描述该QKD系统所制备的光脉冲之间存在的强度调制关联性的参考值。

3.根据权利要求2所述decoy-BB84系统中量子态脉冲强度调制关联性分析检测方法，其特征在于：四个BB84态为四个偏振态|H>,|V>,|+>,|->，其中|H>与|V>为纵横偏振基，基矢编码均为0且编码比特分别为0和1，而|+>与|->为对角偏振基，基矢编码均为1且编码分别为0与1，且其中偏振态的光强强度根据诱骗态协议，强度级别在s、μ、v、ω中可任意选择，s表示信号态的脉冲强度，μ、v、ω分别表示不同强度的诱骗态所对应的脉冲强度。

4.一种decoy-BB84系统中量子态脉冲强度调制关联性分析检测装置，其特征在于：采用权利要求1所述decoy-BB84系统中量子态脉冲强度调制关联性分析检测方法，包括Alice端、Bob端、时序电子设备、数据分析仪，其中：

当Alice端、Bob端的数据皆可得知时：

所述Alice端用于指定随机数文件，并通过随机数文件的内容，制备相位随机化的弱相干光脉冲，并随机地编码为四个BB84态之一；

所述时序电子设备用于记录光量子被Bob端探测到的时间，并将该时间信号传输到实时数据分析仪，以供后续分析检验使用；

所述实时数据分析仪用于对Alice端所发送的光量子态脉冲进行实时强度调制关联性分析，通过统计记录Bob端对每种光强的光量子脉冲信号的有效响应的次数C_k|j，得到Alice端所发送的每种光强的光量子脉冲信号有效响应的概率P_k|j，并计算按照光强分成的不同组之间光量子脉冲有效响应概率的差异值Diff_kj作为描述该QKD系统所制备的光脉冲之间存在的强度调制关联性的参考值。

5.根据权利要求4所述decoy-BB84系统中量子态脉冲强度调制关联性分析检测装置，其特征在于：当Alice端不可得知，而Bob端的数据可得知时：

所述Alice端制备相位随机化的弱相干光脉冲串，并随机地编码为四个BB84态；

所述时序电子设备用于记录光量子被Bob端探测到的时间，并将该时间信号传输到实时数据分析仪，以供后续分析检验使用；

所述实时数据分析仪用于对Alic端所发送的光量子态脉冲进行实时强度调制关联性分析，通过统计记录Bob端对每种光强的光量子脉冲信号的有效响应的次数C_k|j，得到Alice端所发送的每种光强的光量子脉冲信号有效响应的概率P_k|j，并计算按照光强分成的不同组之间光量子脉冲有效响应概率的差异值Diff_kj作为描述该QKD系统所制备的光脉冲之间存在的强度调制关联性的参考值。

6.根据权利要求5所述decoy-BB84系统中量子态脉冲强度调制关联性分析检测装置，其特征在于：四个BB84态为四个偏振态|H>,|V>,|+>,|->，其中|H>与|V>为纵横偏振基，基矢编码均为0且编码比特分别为0和1，而|+>与|->为对角偏振基，基矢编码均为1且编码分别为0与1，且其中偏振态的光强强度根据诱骗态协议，强度级别在s、μ、v、ω中可任意选择，s表示信号态的脉冲强度，μ、v、ω分别表示不同强度的诱骗态所对应的脉冲强度。