CN117879793A - Mdi qkd系统中量子态脉冲强度调制关联性实时分析检测方法与装置 - Google Patents
Mdi qkd系统中量子态脉冲强度调制关联性实时分析检测方法与装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种MDI QKD系统中量子态脉冲强度调制关联性实时分析检测方法与装置，包括Alice端、Bob端、Charlie端、时序电子设备、实时数据分析仪，据相邻量子态脉冲强度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的检测率进行分析，从而检验不同强度量子态脉冲之间存在的关联性。本发明实现了对基于MDI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实时检验分析，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
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MDI QKD系统中量子态脉冲强度调制关联性实时分析检测方法与装置。
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。
当前针对QKD系统的各种攻击方法大多是针对探测端的攻击。针对这种情况，2012年多伦多大学的Lo等人提出的测量设备无关的量子密钥分发协议(measurement-device-independent quantum key distribution,MDI-QKD)(简略如图2所示)彻底地关闭了QKD系统的所有测量端的漏洞。在MDI-QKD中通信双方Alice端和Bob端分别随机制备BB84弱相干态，然后发给一个不可信的第三方Charlie进行贝尔态测量，根据Charlie公布的贝尔态测量结果Alice端和Bob端建立安全的密钥。偏振编码的MDI-QKD的基本原理如图2所示。其基本运行流程如下：Alice端和Bob端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，且然后Alice端和Bob端通过一个量子信道把制备好的量子态发送给一个不可信的第三方Charlie进行贝尔态测量。Charlie公布成功的贝尔态测量结果，Alice端和Bob端公布他们编码使用的基矢。对于他们使用相同基矢的部分，根据Charlie的贝尔态测量结果，Alice端或Bob端选择翻转或不翻转他们手中的比特以得到正关联的数据。随后他们根据诱骗态方法得到单光子部分的增益和误码率，经过经典纠错和隐私放大过程得到最终的安全密钥。
尽管MDI-QKD协议已能够阻挡大部分针对探测端的攻击，当前针对于包括MDI-QKD在内的QKD协议的安全分析仍假定该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MDI QKD系统中量子态脉冲强度调制关联性的实时分析检测方法与装置对QKD系统实用化具有重要的科学意义和实用价值。同时由于所述分析检测方法与装置具有实时性的特点，使得对MDI QKD系统中量子态脉冲强度调制关联性的分析过程更加准确便捷，并可拓展至其他QKD系统。
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MDI QKD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，本发明提供一种针对MDI QKD系统中量子态脉冲强度调制关联性检测装置与方法，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MDI QKD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实时检验分析，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MDI QKD系统中量子态脉冲强度调制关联性检测方法，包括以下步骤：
步骤1)，指定Alice端以及Bob端所发送的随机数文件内容，在Alice端与Bob端将指定的随机数文件发送至Charlie端探测，同时获取Charlie端的检测数据。
步骤2)，Alice端和Bob端分别制备相位随机化的弱相干光脉冲，并分别根据对应的随机数文件内容编码为四个BB84态。
Charlie端对Alice端和Bob端发送的数据进行实时Bell态测量，并对探测数据按照探测的时间依次进行编号，同时，根据Alice端与Bob端发送的数据，对Charlie端的探测得到的数据实时进行筛选。
步骤3)，将Charlie端所探测的数据按照Alice端所发送的随机数文件，对当中属于相同强度级别μk且前一个光脉冲强度为μj的光脉冲分组，得到k×j个光脉冲组Sk|j，每个光脉冲组Sk|j只包含当前强度级别设置为μk且前一个强度级别设置为μj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4),将经过预处理以及数据分组后得到的数据进行符合计数。
步骤5)，统计每个光脉冲组Sk|j中存在的光脉冲量子正确响应事件发生的次数Ck|j，其中每个光脉冲组Sk|j当中包含的量子态光脉冲个数为Nk|j，通过将计数Ck|j除以Nk|j，得到该串中的检测概率Pk|j＝Ck|j/Nk|j，Ck|j表示每个光脉冲组Sk|j中存在的光脉冲量子正确响应事件发生的次数。
步骤6)，对于所有的k和j，计算不同组当中检测概率的差异值Diff_kj＝|Pk|j-Pk|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：步骤2)中四个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。
优选的：步骤2)中对Charlie端的探测得到的数据实时进行筛选方法如下：在MDIQKD协议当中，只有当Alice端与Bob端所发送的偏振态均属于同一种基矢时，即同时为纵横偏振基或者同时为对角偏振基，才满足MDI协议，否则，该次响应无效，将数据当中无效响应的数据剔除，只保留有效响应的数据，完成数据的预处理。
优选的：步骤4)中符合计数方法：若数据满足符合计数的要求且符合MDI的传输协议，则认为该次传输是一次成功的信息传输，将该次光量子脉冲的响应事件视为有效响应，并通过值Ck|j记录光脉冲量子有效响应事件发生的次数，Ck|j表示每个光脉冲组Sk|j中存在的光脉冲量子正确响应事件发生的次数。
优选的：步骤4)中若响应事件为有效响应，则应当满足下述条件：①Bob端的数据与Alice端的数据应当同时被Charlie端探测，否则无效。具体而言，由于实际QKD MDI协议运行过程中，Alice端与Bob端发送的数据均面临着路径损耗，Alice端与Bob端发送的数据有时不能同时被Charlie端探测，需要将这些不能被Charlie端同时探测的数据排除。②Alice端与Bob端所发送的数据在Charlie端中的响应应当满足协议，保证该数据是正确的信息传输。具体而言，在实际QKD MDI协议运行过程中，Charlie端对Alice端与Bob端发送数据的探测有可能因为不可抗因素而导致探测偏差，导致Charlie端探测的结果在所预估的结果之外，此次响应无效，应予以剔除。
一种MDI QKD系统中量子态脉冲强度调制关联性检测装置，采用上述MDI QKD系统中量子态脉冲强度调制关联性检测方法，包括Alice端、Bob端、Charlie端、时序电子设备、实时数据分析仪，其中：
所述Alice端与Bob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Charlie端包含四个单光子探测器、两个偏振分束器PBS、一个光分束器BS，其中两个单光子探测器为|H>光量子探测器，而另外两个为|V>光量子探测器。每个|H>光量子探测器分别和一个对应的|V>光量子探测器通过一个偏振分束器PBS相连，同时所述两个偏振分束器PBS通过一个光分束器BS相连。Alice端与Bob端发送的数据通过光分束器BS进行量子态叠加后通过偏振分束器PBS被与偏振分束器PBS相连的单光子探测器探测。
所述时序电子设备用于记录光量子被Charlie端探测到的时间，并将该时间信号传输到实时数据分析仪。
所述实时数据分析仪用于对Alice端与Bob端s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Charlie端对Alice端与Bob端所发送的光量子脉冲信号有效响应的次数Ck|j，得到Alice端与Bob端所发送的光量子脉冲信号有效响应的概率Pk|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。
本发明对QKD系统所制备的光量子脉冲强度关联性的检验可达到实时分析的效果，使得QKD系统中光量子脉冲强度关联性分析检验更加准确便捷，可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为量子密钥分配系统简略示意图。
图2为MDI-QKD系统简略示意图。
图3为基矢编码、编码比特与量子态对照关系示意图。
图4为MDI-QKD系统有效响应简略示意图。
图5为MDI QKD系统中量子态脉冲强度调制关联性实时分析检测装置简略示意图。
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MDI QKD系统中量子态脉冲强度调制关联性实时分析检测方法，包括以下步骤：
步骤1)，指定Alice端以及Bob端所发送的随机数文件内容，在Alice端与Bob端将指定的随机数文件发送至Charlie端探测。通过所述装置(简略如图5所示)采用实验的方法获知Charlie端的检测数据。指定Alice端以及Bob端所发送的随机数文件内容，在Alice端与Bob端将指定的随机数文件发送至Charlie端探测。
步骤2)，Alice端和Bob端分别制备相位随机化的弱相干光脉冲，并分别根据对应的随机数文件内容编码为四个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3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。
Charlie端对Alice端和Bob端发送的数据进行实时Bell态测量，并对探测数据按照探测的时间依次进行编号，同时，根据Alice端与Bob端发送的数据，对Charlie端的探测得到的数据实时进行筛选。该筛选过程详细如下：在MDI QKD协议当中，只有当Alice端与Bob端所发送的偏振态均属于同一种基矢时(同时为纵横偏振基或者同时为对角偏振基)，才满足MDI协议，否则，该次响应无效，所述步骤当中的筛选过程将数据当中无效响应的数据剔除(简略如图4所示)，只保留有效响应的数据，完成数据的预处理。
步骤3)，将Charlie端所探测的数据按照Alice端所发送的随机数文件，对当中属于相同强度级别μk且前一个光脉冲强度为μj的光脉冲分组，得到k×j个光脉冲组Sk|j。每个光脉冲组Sk|j只包含当前强度级别设置为μk且前一个强度级别设置为μj的情况下制备的脉冲对。
步骤4),将经过预处理以及数据分组后得到的数据进行符合计数。在理想状况下，MDI QKD协议当中Alice端与Bob端的数据应当同时被Charlie端探测，且Alice端与Bob端发送的数据在信道不会有任何损失，且均能被Charlie端的探测器正确探测。然而在实际的MDI QKD协议的应用当中，受到电子设备、通信信道以及探测器制作工艺等影响，实际情况往往与理想状况存在差异，因此有必要对所述步骤2)当中每个光脉冲分组当中当前的光脉冲k再次进行实时筛选并计数。将满足符合计数的要求且符合MDI的传输协议的响应事件视为正确响应，并通过值Ck|j记录光脉冲量子正确响应事件发送的次数以及该步骤的等价描述方式。若数据满足符合计数的要求且符合MDI的传输协议，则认为该次传输是一次成功的信息传输，将该次光量子脉冲的响应事件视为有效响应，并通过值Ck|j记录光脉冲量子有效响应事件发生的次数。在所述符合计数的步骤当中，若响应事件为有效响应，则应当满足下述条件：①Bob端的数据与Alice端的数据应当同时被Charlie端探测，否则无效；具体而言，由于实际QKD MDI协议运行过程中，Alice端与Bob端发送的数据均面临着路径损耗，Alice端与Bob端发送的数据有时不能同时被Charlie端探测，需要将这些不能被Charlie端同时探测的数据排除。②Alice端与Bob端所发送的数据在Charlie端中的响应应当满足协议，保证该数据是正确的信息传输；具体而言，在实际QKD MDI协议运行过程中，Charlie端对Alice端与Bob端发送数据的探测有可能因为不可抗因素而导致探测偏差，导致Charlie端探测的结果在所预估的结果之外。例如，在实际MDI QKD设备运行过程当中，Alice端与Bob端发送的数据均为某一相同基矢，然而由于探测偏差导致Charlie端探测的结果却为Alice端与Bob端发送其他基矢时预估得到的结果，与本次响应的预估结果有偏差，故此次响应无效，应予以剔除。
步骤5)，统计每个串Sk|j中存在的光脉冲量子正确响应事件发生的次数Ck|j，其中每个串Sk|j当中包含的量子态光脉冲个数为Nk|j。通过将计数Ck|j除以Nk|j，得到该串中的检测概率Pk|j＝Ck|j/Nk|j，此处Ck|j为分组数据经过符合计数后得到的数据。
步骤6)，对于所有的k和j，计算不同组当中检测概率的差异值Diff_kj＝|Pk|j-Pk|j|，其中j≠j′。
通过比对步骤6)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MDI QKD系统中量子态脉冲强度调制关联性实时分析检测装置，包括Alice端、Bob端、Charlie数据探测端、时序电子设备、实时数据分析仪。
所述Alice端与Bob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3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Charlie数据探测端包含四个单光子探测器、两个偏振分束器(PolarizingBeam Splitter，PBS)、一个光分束器(Beam Splitter，BS)，其中两个单光子探测器为|H>光量子探测器，而另外两个为|V>光量子探测器。每个|H>光量子探测器分别和一个对应的|V>光量子探测器通过一个PBS相连，同时所述两个PBS通过一个BS相连(简略如图2所示)。Alice端与Bob端发送的数据通过BS进行量子态叠加后通过PBS被与PBS相连的单光子探测器探测。
所述时序电子设备用于记录光量子被Charlie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端与Bob端s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Charlie端对Alice端与Bob端所发送的光量子脉冲信号有效响应的次数Ck|j，得到Alice端与Bob端所发送的光量子脉冲信号有效响应的概率Pk|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：
步骤1)：配置Alice端与Bob端发送的随机数文件。所述配置的随机数文件应当使得Alice端与Bob端所发送的数据组合尽可能多地覆盖Alice端与Bob端所有能发送出来的数据组合。
步骤2)：打开Alice端与Bob端，并配置其发射与原始数据生成阶段相等的脉冲，将所述两个端的光量子发送信道连接到Charlie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Charlie端的探测器探测从Alice端与Bob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Charlie端被探测的时间相匹配。其中，Alice端与Bob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Charlie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端与Bob端的强度调制模式与Charlie端光探测器测量的计数进行互相关，以便可以得知每次Charlie端光探测器探测得到的数字信号中Alice端与Bob端设置的脉冲强度。
本发明的检测装置使用方法如下：
A)：配置Alice端与Bob端发送的随机数文件。所述配置的随机数文件应当使得Alice端与Bob端所发送的数据组合尽可能多地覆盖Alice端与Bob端所有能发送出来的数据组合。
B)：Alice端和Bob端分别制备相位随机化的弱相干光脉冲，根据对应的随机数文件内容编码为四个BB84态，并配置其发射与原始数据生成阶段相等的脉冲。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3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，将所述两个端的光量子发送信道连接到Charlie探测端。如果Charlie端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Charlie端的探测器探测从Alice端与Bob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Charlie端被探测的时间相匹配。其中，Alice端与Bob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Charlie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端与Bob端的强度调制模式与Charlie端光探测器测量的计数进行互相关，以便可以得知每次Charlie端光探测器探测得到的数字信号中Alice端与Bob端设置的脉冲强度。
E)，Charlie端对Alice端和Bob端发送的数据进行实时Bell态测量，并通过所述步骤C)中时序电子设备记录的探测时间依次进行编号，同时，根据Alice端与Bob端发送的数据，对Charlie端的探测得到的数据实时进行筛选。该筛选过程详细如下：在MDI QKD协议当中，只有当Alice端与Bob端所发送的偏振态均属于同一种基矢时(同时为纵横偏振基或者同时为对角偏振基)，才满足MDI协议，否则，该次响应无效，所述步骤当中的筛选过程将数据当中无效响应的数据剔除(简略如图4所示)，只保留有效响应的数据，完成数据的预处理。
F)，将Charlie端所探测的数据按照Alice端所发送的随机数文件，对当中属于相同强度级别μk且前一个光脉冲强度为μj的光脉冲分组，得到k×j个光脉冲组Sk|j。每个光脉冲组Sk|j只包含当前强度级别设置为μk且前一个强度级别设置为μj的情况下制备的脉冲对。
G),将经过预处理以及数据分组后得到的数据进行符合计数。在理想状况下，MDIQKD协议当中Alice端与Bob端的数据应当同时被Charlie端探测，且Alice端与Bob端发送的数据在信道不会有任何损失，且均能被Charlie端的探测器正确探测。然而在实际的MDIQKD协议的应用当中，受到电子设备、通信信道以及探测器制作工艺等影响，实际情况往往与理想状况存在差异，因此有必要对所述步骤2)当中每个光脉冲分组当中当前的光脉冲k再次进行实时筛选并计数。若数据满足符合计数的要求且符合MDI的传输协议，则认为该次传输是一次成功的信息传输，将该次光量子脉冲的响应事件视为有效响应，并通过值Ck|j记录光脉冲量子有效响应事件发生的次数。在所述符合计数的步骤当中，若响应事件为有效响应，则应当满足下述条件：①Bob端的数据与Alice端的数据应当同时被Charlie端探测，否则无效；具体而言，由于实际QKD MDI协议运行过程中，Alice端与Bob端发送的数据均面临着路径损耗，Alice端与Bob端发送的数据有时不能同时被Charlie端探测，需要将这些不能被Charlie端同时探测的数据排除。②Alice端与Bob端所发送的数据在Charlie端中的响应应当满足协议，保证该数据是正确的信息传输；具体而言，在实际QKD MDI协议运行过程中，Charlie端对Alice端与Bob端发送数据的探测有可能因为不可抗因素而导致探测偏差，导致Charlie端探测的结果在所预估的结果之外。例如，在实际MDI QKD设备运行过程当中，Alice端与Bob端发送的数据均为某一相同基矢，然而由于探测偏差导致Charlie端探测的结果却为Alice端与Bob端发送其他基矢时预估得到的结果，与本次响应的预估结果有偏差，故此次响应无效，应予以剔除。
H)，统计每个串Sk|j中存在的光脉冲量子正确响应事件发生的次数Ck|j，其中每个串Sk|j当中包含的量子态光脉冲个数为Nk|j。通过将计数Ck|j除以Nk|j，得到该串中的检测概率Pk|j＝Ck|j/Nk|j，此处Ck|j为分组数据经过符合计数后得到的数据。
I)，对于所有的k和j，计算不同组当中检测概率的差异值Diff_kj＝|Pk|j-Pk|j′|，其中j≠j′。
通过比对I)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。
本发明可应用于基于MDI协议的QKD系统中量子态脉冲强度调制关联性的实时分析检测。本发明根据相邻量子态脉冲强度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的检测率进行分析，从而检验不同强度量子态脉冲之间存在的关联性。实现对基于MDI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实时检验分析，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 (7)
1.一种MDI QKD系统中量子态脉冲强度调制关联性检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)，指定Alice端以及Bob端所发送的随机数文件内容，在Alice端与Bob端将指定的随机数文件发送至Charlie端探测，同时获取Charlie端的检测数据；
步骤2)，Alice端和Bob端分别制备相位随机化的弱相干光脉冲，并分别根据对应的随机数文件内容编码为四个BB84态；
Charlie端对Alice端和Bob端发送的数据进行实时Bell态测量，并对探测数据按照探测的时间依次进行编号，同时，根据Alice端与Bob端发送的数据，对Charlie端的探测得到的数据实时进行筛选；
步骤3)，将Charlie端所探测的数据按照Alice端所发送的随机数文件，对当中属于相同强度级别μk且前一个光脉冲强度为μj的光脉冲分组，得到k×j个光脉冲组Sk|j，每个光脉冲组Sk|j只包含当前强度级别设置为μk且前一个强度级别设置为μj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4),将经过预处理以及数据分组后得到的数据进行符合计数；
步骤5)，统计每个光脉冲组Sk|j中存在的光脉冲量子正确响应事件发生的次数Ck|j，其中每个光脉冲组Sk|j当中包含的量子态光脉冲个数为Nk|j，通过将计数Ck|j除以Nk|j，得到该串中的检测概率Pk|j＝Ck|j/Nk|j，Ck|j表示每个光脉冲组Sk|j中存在的光脉冲量子正确响应事件发生的次数；
步骤6)，对于所有的k和j，计算不同组当中检测概率的差异值Diff_kj＝|Pk|j-Pk|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MDIQKD系统中量子态脉冲强度调制关联性检测方法，其特征在于：步骤2)中四个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。
3.根据权利要求2所述MDI QKD系统中量子态脉冲强度调制关联性检测方法，其特征在于：步骤2)中对Charlie端的探测得到的数据实时进行筛选方法如下：在MDI QKD协议当中，只有当Alice端与Bob端所发送的偏振态均属于同一种基矢时，即同时为纵横偏振基或者同时为对角偏振基，才满足MDI协议，否则，该次响应无效，将数据当中无效响应的数据剔除，只保留有效响应的数据，完成数据的预处理。
4.根据权利要求3所述MDI QKD系统中量子态脉冲强度调制关联性检测方法，其特征在于：步骤4)中符合计数方法：若数据满足符合计数的要求且符合MDI的传输协议，则认为该次传输是一次成功的信息传输，将该次光量子脉冲的响应事件视为有效响应，并通过值Ck|j记录光脉冲量子有效响应事件发生的次数，Ck|j表示每个光脉冲组Sk|j中存在的光脉冲量子正确响应事件发生的次数。
5.根据权利要求4所述MDIQKD系统中量子态脉冲强度调制关联性检测方法，其特征在于：步骤4)中若响应事件为有效响应，则应当满足下述条件：①Bob端的数据与Alice端的数据应当同时被Charlie端探测，否则无效；具体而言，由于实际QKD MDI协议运行过程中，Alice端与Bob端发送的数据均面临着路径损耗，Alice端与Bob端发送的数据有时不能同时被Charlie端探测，需要将这些不能被Charlie端同时探测的数据排除；②Alice端与Bob端所发送的数据在Charlie端中的响应应当满足协议，保证该数据是正确的信息传输；具体而言，在实际QKD MDI协议运行过程中，Charlie端对Alice端与Bob端发送数据的探测有可能因为不可抗因素而导致探测偏差，导致Charlie端探测的结果在所预估的结果之外，此次响应无效，应予以剔除。
6.一种MDI QKD系统中量子态脉冲强度调制关联性检测装置，其特征在于：采用权利要求1所述MDI QKD系统中量子态脉冲强度调制关联性检测方法，包括Alice端、Bob端、Charlie端、时序电子设备、实时数据分析仪，其中：
所述Alice端与Bob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Charlie端包含四个单光子探测器、两个偏振分束器PBS、一个光分束器BS，其中两个单光子探测器为|H>光量子探测器，而另外两个为|V>光量子探测器；每个|H>光量子探测器分别和一个对应的|V>光量子探测器通过一个偏振分束器PBS相连，同时所述两个偏振分束器PBS通过一个光分束器BS相连；Alice端与Bob端发送的数据通过光分束器BS进行量子态叠加后通过偏振分束器PBS被与偏振分束器PBS相连的单光子探测器探测；
所述时序电子设备用于记录光量子被Charlie端探测到的时间，并将该时间信号传输到实时数据分析仪；
所述实时数据分析仪用于对Alice端与Bob端s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Charlie端对Alice端与Bob端所发送的光量子脉冲信号有效响应的次数Ck|j，得到Alice端与Bob端所发送的光量子脉冲信号有效响应的概率Pk|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。
7.根据权利要求6所述MDI QKD系统中量子态脉冲强度调制关联性检测装置，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。
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