CN117879818A - 一种基于模式配对的量子密钥分发方法及设备 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种基于模式配对的量子密钥分发方法及设备，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：执行目标轮数的量子实验，得到所有在接收端的测量结果为有响应的本轮量子态对应的第一本轮脉冲；将所有第一本轮脉冲中任意两个相邻脉冲进行不重复配对，得到配对成功的多个第一脉冲对；对多个第一脉冲对的配对基矢进行筛选，得到配对基矢无效的多个第二脉冲对；至少对多个第二脉冲对包括的脉冲进行再次筛选，并至少对再次筛选的结果进行后处理得到量子密钥。根据本申请提供的方案，可以基于现有的光学通信设备，提升量子密钥分发系统的成码率，以及提高量子密钥分发系统的实用性与效率。

Description

一种基于模式配对的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，尤其涉及一种基于模式配对的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优化方案是中国专利CN112491536A中提出的模式配对QKD（mode-pairing QKD，MP-QKD）方案。然而，上述MP方案也存在一定的问题，比如其配对的方式过于简单，虽然容易执行，但牺牲了最终配对的数量，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，本申请提出一种基于模式配对的量子密钥分发方法及设备，能基于现有的光学通信设备，提升量子密钥分发系统的成码率，以及提高量子密钥分发系统的实用性与效率。

第一方面，本申请提供基于模式配对的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：

执行目标轮数的量子实验，得到所有在所述接收端的测量结果为有响应的本轮量子态对应的第一本轮脉冲；所述本轮量子态由所述发送端的量子光源产生的本轮脉冲编码得到；

将所有所述第一本轮脉冲中任意两个相邻脉冲进行不重复配对，得到配对成功的多个第一脉冲对；

对所述多个第一脉冲对的配对基矢进行筛选，得到配对基矢无效的多个第二脉冲对；所述配对基矢无效的脉冲对为其脉冲光强为不同非0的脉冲对，或其脉冲光强为相同非0，且对等发送端包括的轮次相同的脉冲对的脉冲光强只有一个为0的脉冲对；

基于脉冲的光强信息，至少对所述多个第二脉冲对包括的脉冲进行再次筛选，并至少对再次筛选得到的多个待处理脉冲进行后处理得到量子密钥。

由此，本申请将包括配对基矢无效的多个第二脉冲对在内的脉冲对进行再次筛选，并将再次筛选得到的多个待处理脉冲进行后处理得到量子密钥。可以提高第一本轮脉冲所包括数据的利用率，从而提升量子密钥分发系统的成码率，以及提高量子密钥分发系统的实用性与效率。

第二方面，本申请提供一种基于模式配对的量子密钥分发设备，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：

实验模块，用于执行目标轮数的量子实验，得到所有在所述接收端的测量结果为有响应的本轮量子态对应的第一本轮脉冲；所述本轮量子态由所述发送端的量子光源产生的本轮脉冲编码得到；

配对模块，用于将所有所述第一本轮脉冲中任意两个相邻脉冲进行不重复配对，得到配对成功的多个第一脉冲对；

筛选模块，用于对所述多个第一脉冲对的配对基矢进行筛选，得到配对基矢无效的多个第二脉冲对；所述配对基矢无效的脉冲对为其脉冲光强为不同非0的脉冲对，或其脉冲光强为相同非0，且对等发送端包括的轮次相同的脉冲对的脉冲光强只有一个为0的脉冲对；

处理模块，用于基于脉冲的光强信息，至少对所述多个第二脉冲对包括的脉冲进行再次筛选，并至少对再次筛选得到的多个待处理脉冲进行后处理得到量子密钥。

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基于模式配对的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目标处理数据进行两轮配对的流程示意图；

图4是本申请实施例提供的一种基于模式配对的量子密钥分发方法的流程图；

图5是本申请实施例提供的一种量子探测器的结构示意图；

图6是本申请实施例提供的一种配对基矢确定规则图；

图7是本申请实施例提供的一种配对基矢确定规则图；

图8是本申请实施例提供的一种基于模式配对的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。

示例性的，图1示出了一种量子密钥分发协议的示意图。

如图1所示，该量子密钥分发系统包括两个对等的发送端Alice和Bob，以及一个接收端Charlie。其中，通信双方Alice和Bob分别基于光源和编码模块随机制备相干量子态，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。

近期提出的MP-KQD作为一种改进的MDI-QKD被提出，在该方案中，将发送端每一轮 产生的脉冲均编码为量子态，其中为脉冲光强，从0和两个非0的不同预设光强中 随机选取，为随机相位。在接收端对量子态完成测量后，发送端根据接收端公布的响应结 果，对有响应的脉冲进行两两配对，再根据配对得到的脉冲对的光强与随机相位信息提取 密钥，估计安全性。现有的配对方法为根据接收Charlie公布的响应结果依次将响应轮数进 行就近不重复配对。

在MP-QKD方案中，尽管避免了上述原始MDI-QKD存在的问题，但由于采用在测量结束后进行对脉冲直接配对的方式，导致产生了很多无效的脉冲对。通常，无效脉冲对的数量在整体脉冲对的数量并不低，受不同光强的发送比例影响，最高可能超过总脉冲对数的一半，会使得有效脉冲对的数量相对较低。由于这些无效的脉冲对不会参与后继的任何数据处理和密钥分发后处理，对于整个方案没有任何贡献，这会造成大量数据的浪费，因此会降低系统的成码率。

另外，由于相位匹配等原因，会使MP-QKD采用的脉冲配对方案产生X配对基矢的脉冲对的比例较小，使得后续基于X配对基矢的脉冲对进行安全性分析时数据波动较大，对安全性分析产生了不利影响。而为了减小对成码率和安全性分析的影响，通常需要更精确的系统调制及更大的实验数据量，这又进一步使得该QKD方案的实用性下降。

有鉴于此，本申请实施例通过现有的光学通信设备，实现一种基于模式配对的量子密钥分发方法，在基于MP-QKD方案将有响应的脉冲进行相邻且不重复配对得到多个第一脉冲对的基础上，将多个第一脉冲对中配对基矢无效的多个第二脉冲对进行再处理。即基于脉冲的光强信息，至少对多个第二脉冲对包括的脉冲进行再次筛选，并至少对再次筛选得到的多个待处理脉冲进行基于MP-QKD方案的后处理得到量子密钥，可以在保证MP-QKD方案成码率的基础上，进一步提高提升量子密钥分发系统的成码率。另外，由于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，从而提高了量子密钥分发系统的实用性与效率。

示例性的，图2中示出了本申请实施例提供的一种基于模式配对的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S201-步骤S204：

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，基于模式配对的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发送进行编码后的量子态。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，在第轮量子实验过程的量子态制备阶段，以发送端Alice为例，首先根据 图1所示的光源制备光强为、相位为的脉冲，再将脉冲编码为量子态。其中，光 强在三个值中进行随机选择()则为0到的一个随机相位。同样的， 发送端Bob也进行类似的脉冲制备和编码，其脉冲的光强可视情况也在三个值中进 行随机选择，或另取值。随机相位则由Bob随机独立选取，与Alice的选择无关。在实际应 用中，随机相位、可以离散地从中随机选取。

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发送进行编码后的相干态脉冲，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。

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发送的本轮量子态的测量结果为有两个响应，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的本轮量子态的测量结果为有两个测量响应，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，对目标处理数据进行两轮配对得到多个目标脉冲对。

在本实施例中，多个目标脉冲对是发送端Alice或Bob保留的有用的脉冲对，这些有用的脉冲对会参与基于MP-QKD方案的后处理。

如步骤S202所述，目标处理数据是在Charlie接收端进行测量而至少有一个响应的量子态对应的脉冲，通过对目标处理数据进行两轮配对得到目标脉冲对。

示例性的，图3示出了本申请实施例提供的一种目标处理数据进行两轮配对的流程示意图。如图3所示，首先，Alice和Bob依照事先约定好的方案，将所有Charlie公布的测量结果为有响应的量子态对应的脉冲进行相邻且不重复的第一次配对，得到配对成功的多个第一脉冲对，以及配对失败的多个第三脉冲对。

其次，对多个第一脉冲对的配对基矢进行筛选，得到配对基矢无效的多个第二脉冲对（即无效的脉冲对），配对基矢为Z基矢的多个第一目标脉冲对，以及配对基矢为X基矢的多个第一待选脉冲对。

进一步的，基于脉冲光强信息，对多个第二脉冲对和多个第三脉冲对包括的脉冲进行筛选得到多个待处理脉冲。

更进一步的，基于就近原则和脉冲光强信息，对多个待处理脉冲选择性的进行第二次配对得到多个第二待选脉冲对。

再进一步的，基于脉冲相位信息，对所述多个第一待选脉冲对和多个第二待选脉冲对的脉冲对进行筛选，得到多个第二目标脉冲对。

最后，将上述多个第一目标脉冲对和多个第二目标脉冲对作为需要保留的多个目标脉冲对。

步骤S204，对多个目标脉冲对进行基于MP-QKD方案的后处理得到量子密钥。

在本实施例中，对多个目标脉冲对进行基于MP-QKD方案的密钥映射、参数估计和密钥提取得到量子密钥。

最终，通信双方Alice和Bob共享相同且私密的密钥，完成密钥分发的任务。

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4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4所示，该方法主要包括以下步骤S401-步骤S404：

步骤S401，执行目标轮数的量子实验，得到所有在接收端的测量结果为有响应的本轮量子态对应的第一本轮脉冲。本轮量子态由发送端的量子光源产生的本轮脉冲编码得到。

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，将量子光源产生的本轮脉冲进行编码得到本轮量子态，并将本轮量子态发送到接收端。可以理解，在对等的发送端中也进行同样的操作，将对等的本轮量子态发送到接收端。

进一步的，接收端将接收的本轮量子态进行预处理后，输入到量子探测器中进行测量，并将测量结果向Alice和Bob进行公布。

图5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5所示，Charlie利用量子探测器将来自Alice和Bob的本轮量子态进行探测。具体的，将来自Alice方的本轮量子态和来自Bob方的本轮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分别对上述两个发送端的本轮量子态进行探测。

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的响应情况得到测量结果。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

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。

可以理解，通过执行目标轮数的量子实验，可以得到多个在接收端的测量结果为有响应的本轮量子态对应的第一本轮脉冲。

步骤S402，将所有第一本轮脉冲中任意两个相邻脉冲进行不重复配对，得到配对成功的多个第一脉冲对。

在本实施例中，Alice和Bob各自依照事先约定好的方案，将所有Charlie公布的测 量结果为有响应的本轮量子态对应的第一本轮脉冲，进行相邻且不重复的第一次配对，得 到多个脉冲对。如此，多个脉冲对中的每个脉冲对包括第i轮和第j轮实验中本方分别发出 的两个脉冲和，其中第i轮和第j轮是有响应的两个相邻实验轮次。不重复配对表示每个 有响应的实验轮次或只能被配对一次。

另外，多个脉冲对包括配对成功的多个第一脉冲对，以及配对失败的多个第三脉冲对。

示例性的，第三脉冲对为其包括的两个脉冲的轮次差不符合预设规则的脉冲对，第一脉冲对为其包括的两个脉冲的轮次差符合预设规则的脉冲对。在量子分发系统中，如果两个脉冲的轮次差越大，则表示两轮脉冲的实验时间相隔越长，脉冲对所支持的有效传输距离越短。比如，当Alice和Bob之间的距离为几百公里时，要求轮次差在5000以内。因此，可以设置预设规则为脉冲对包括的两个脉冲的轮次差在预设值之内。预设值的取值根据Alice和Bob之间的通信距离确定。

可以理解，如果直接将配对失败的多个第三脉冲对的数据丢弃，不参与后继的任何数据处理和密钥分发后处理，这也会造成大量数据的浪费，并降低系统的成码率。

步骤S403，对多个第一脉冲对的配对基矢进行筛选，得到配对基矢无效的多个第二脉冲对。

在本实施例中，配对基矢无效的多个第二脉冲对即为无效的脉冲对。这些无效的脉冲对原本不会参与后继的任何数据处理和密钥分发后处理，对于整个方案没有任何贡献。

可以对多个第一脉冲对的配对基矢进行筛选，得到配对基矢无效的多个第二脉冲对。

具体的，假设被成功配对的第一脉冲对包括第i轮与第j轮的量子实验中产生的脉 冲，Alice与Bob各自根据对应光脉冲的光强按图6所示的配对基矢规则公布手中的配对基 矢。比如，第i轮和第j轮量子实验产生的脉冲的光强均为或者均为，则公布配对的基矢为 X基矢。第i轮和第j轮量子实验产生的脉冲的光强为不同的非0值，则公布配对的基矢为 ‘trash’，表示配对基矢无效，此时，其对应的第一脉冲对是配对无效的第二脉冲对。如果第 i轮量子实验产生的脉冲的光强为0，则只要第j轮量子实验产生的脉冲的光强是非0值，就 记录配对基矢为Z基矢。如果第i轮和第j轮量子实验产生的脉冲的光强均为0，就记录配对 基矢为‘0’态。其中，X基矢和Z基矢为二维希尔伯特空间下的一组正交基。

可选的，保留第i轮和第j轮量子实验产生的脉冲的光强均为0的第一脉冲对，基于配对基矢为‘0’态的第一脉冲对进行接收端的探测器错误率的估计。虽然，配对基矢为‘0’态的第一脉冲对不直接参与后继的密钥分发后处理，但对于整个系统而言它并不是完全无用的，因而可以进行保留。

可以理解，如果一轮量子实验产生的脉冲的光强为0，则等同于该轮量子实验没有产生任何脉冲。但如果通信双方Alice与Bob的通信信道（比如光纤）产生幅值足够大的信道干扰，会在接收端Charlie的量子探测器中产出错误的测量结果（比如，测量结果为有响应）。因此，可以基于配对基矢为‘0’态的第一脉冲对进行接收端的探测器错误率的估计。

进一步的，根据Alice与Bob双方公布的信息，进一步确认第一脉冲对这一配对的配对基矢。确定最终配对基矢的规则如图7所示。比如，Alice和Bob中都公布配对基矢为X基矢，则设置最终配对基矢为Z基矢。Alice和Bob中都公布配对基矢为X基矢，则设置最终配对基矢为Z基矢。Alice和Bob中都公布配对基矢为‘0’态，则设置最终配对基矢为‘0’态。Alice和Bob中公布的配对基矢为不同的非‘0’态，则设置最终配对基矢为‘trash’。

示例性的，根据图6和图7所示的配对基矢图，分两个步骤对多个第一脉冲对进行筛选，得到配对基矢为Z基矢的多个第一目标脉冲对，配对基矢为X基矢的多个第一待选脉冲对，以及配对基矢为‘trash’的多个第二脉冲对。

结合图6和图7中可以看出，最终配对基矢为‘trash’的脉冲对为其脉冲光强为不同非0的脉冲对（根据图6看出）；或其脉冲光强为相同非0，且对等发送端包括的轮次相同的脉冲对的脉冲光强只有一个为0的脉冲对（根据图6和图7可以看出）。比如，根据图6可以看出，当第i轮和第j轮量子实验产生的脉冲的光强为不同的非0值，则公布配对的基矢为‘trash’。又比如，第一步骤如图6所示，当第i轮和第j轮量子实验产生的脉冲的光强为相同的非0值，则公布配对基矢为X基矢，而对等发送端包括的轮次相同的脉冲对的脉冲光强只有一个为0的脉冲对，则公布配对基矢为Z基矢。第二步骤如图7所示，进一步确认这一配对的配对基矢为‘trash’。

步骤S404，基于脉冲的光强信息，至少对多个第二脉冲对包括的脉冲进行再次筛选，并至少对再次筛选得到的多个待处理脉冲进行后处理得到量子密钥。

在本实施例中，基于脉冲的光强信息，对多个第二脉冲对和多个第三脉冲对包括的脉冲进行再次筛选，得到多个待处理脉冲。

在一种实现方式中，可以基于脉冲的光强信息，对多个第二脉冲对和多个第三脉冲对包括的脉冲，筛选出其光强以及对等发送端包括的轮次相同的脉冲的光强均为非0的脉冲。

具体的，通信双方Alice和Bob进一步公布多个第二脉冲对和多个第三脉冲对包括的脉冲的光强，筛选出通信双方都产生了非0光强轮次的脉冲，将至少一方发送0光强轮次的脉冲丢弃。

进一步的，基于脉冲的光强信息，根据就近原则将多个待处理脉冲进行不重复配 对，得到多个第二待选脉冲对。其中，第二待选脉冲对为其脉冲光强相同，且对等发送端包 括的轮次相同的脉冲对的脉冲光强也相同的脉冲对。比如，第二待选脉冲对包括的两个脉 冲分别对应第i轮和第j轮量子实验，则Alice在i轮和第j轮产生的脉冲的光强都为或， 且Bob在i轮和第j轮产生的脉冲的光强都为或。

由图7所示的配对基矢确定规则图中可以看出，第二待选脉冲对的配对基矢为X基矢。

更进一步的，基于脉冲的相位信息，对多个第一待选脉冲对和多个第二待选脉冲 对进行筛选，得到多个第二目标脉冲对。其中，第二目标脉冲对的脉冲相位差，与对等发送 端包括的轮次相同的脉冲对的脉冲相位差的绝对差为0或。

具体的，对于配对基矢为X基矢的脉冲对，Alice和Bob分别公布脉冲对包括的两个 脉冲分别对应轮次的相位差，若Alice和Bob双方相位差的差为0或，则保留该脉冲对，否则 丢弃该脉冲对。

由此，由于将原本需要丢弃的多个第三脉冲对和多个第二脉冲对进行再次筛选、第二次配对等处理，得到了多个配对基矢为X基矢的多个第二目标脉冲对。增加了系统中基矢为X基矢的目标脉冲对的数量，可以降低后续基于X配对基矢的脉冲对进行安全性分析时的数据波动，对安全性分析产生积极的影响。从而提高了该QKD方案的实用性。

最后，由多个第一目标脉冲对和多个第二目标脉冲对得到多个目标脉冲对，并对多个目标脉冲对进行密钥映射、参数估计和密钥提取，得到量子密钥。

在一种实现方式中，可以将多个第二目标脉冲对排列在多个第一目标脉冲对的后面，得到多个目标脉冲对。在另一种实现方式中，可以将多个第二目标脉冲对中的每个脉冲对按序依次插入多个目标第一目标脉冲对的两个脉冲对之间，得到多个目标脉冲对。

具体的，在密钥映射阶段，对于Z基矢配对，Alice和Bob依据自身脉冲对的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将相位差除得到结果的整数部分作为密钥，此外若上述相位差的差为，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，Bob需 要翻转自己的密钥。

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，得到最终的量子密钥。

由此，在基于MP-QKD方案将有响应的脉冲进行相邻且不重复配对得到多个第一脉冲对的基础上，将多个第一脉冲对中配对基矢无效的多个第二脉冲对进行再处理。即基于脉冲的光强信息，至少对多个第二脉冲对包括的脉冲进行再次筛选，并至少对再次筛选得到的多个待处理脉冲进行基于MP-QKD方案的后处理得到量子密钥，可以在保证MP-QKD方案成码率的基础上，进一步提高提升量子密钥分发系统的成码率。另外，由于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，从而提高了量子密钥分发系统的实用性与效率。

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MP-QKD相同的系统设置，系统简单廉价，实用性高，不需要额外进行改造。

2、使用二次配对的方法，将第一次配对失败和配对基矢无效的脉冲对中的脉冲，进行筛选后再次配对成额外的X配对，增加了系统的有用数据量，解决了原有MP-QKD方案缺乏X基矢所造成的安全性分析问题。从而提高了参数估计的准确率，降低了数据波动的影响以及对总量子实验轮数的要求，提高了量子分发系统的成码率以及实用性。

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8示出了本申请实施例提供的一种基于模式配对的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8所示，量子密钥分发设备800包括实验模块810、配对模块820、筛选模块830和处理模块840，其中：

实验模块810，用于执行目标轮数的量子实验，得到所有在接收端的测量结果为有响应的本轮量子态对应的第一本轮脉冲。本轮量子态由发送端的量子光源产生的本轮脉冲编码得到。

配对模块820，用于将所有第一本轮脉冲中任意两个相邻脉冲进行不重复配对，得到配对成功的多个第一脉冲对。

筛选模块830，用于对多个第一脉冲对的配对基矢进行筛选，得到配对基矢无效的多个第二脉冲对。配对基矢无效的脉冲对为其脉冲光强为不同非0的脉冲对，或其脉冲光强为相同非0，且对等发送端包括的轮次相同的脉冲对的脉冲光强只有一个为0的脉冲对。

处理模块840，用于基于脉冲的光强信息，至少对多个第二脉冲对包括的脉冲进行再次筛选，并至少对再次筛选得到的多个待处理脉冲进行后处理得到量子密钥。

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)

1.一种基于模式配对的量子密钥分发方法，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：

执行目标轮数的量子实验，得到所有在所述接收端的测量结果为有响应的本轮量子态对应的第一本轮脉冲；所述本轮量子态由所述发送端的量子光源产生的本轮脉冲编码得到；

将所有所述第一本轮脉冲中任意两个相邻脉冲进行不重复配对，得到配对成功的多个第一脉冲对；

对所述多个第一脉冲对的配对基矢进行筛选，得到配对基矢无效的多个第二脉冲对；所述配对基矢无效的脉冲对为其脉冲光强为不同非0的脉冲对，或其脉冲光强为相同非0，且对等发送端包括的轮次相同的脉冲对的脉冲光强只有一个为0的脉冲对；

基于脉冲的光强信息，至少对所述多个第二脉冲对包括的脉冲进行再次筛选，并至少对再次筛选得到的多个待处理脉冲进行后处理得到量子密钥。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所有所述第一本轮脉冲中任意两个相邻脉冲进行不重复配对，还得到配对失败的多个第三脉冲对；

所述至少对所述多个第二脉冲对包括的脉冲进行再次筛选，包括：对所述多个第二脉冲对和所述多个第三脉冲对包括的脉冲进行再次筛选。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述多个第三脉冲对中每个第三脉冲对的脉冲轮次差不符合预设规则。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述再次筛选包括，筛选出其光强以及对等发送端包括的轮次相同的脉冲的光强均为非0的脉冲。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述多个第一脉冲对的配对基矢进行筛选，还得到配对基矢为Z基矢的多个第一目标脉冲对，以及配对基矢为X基矢的多个第一待选脉冲对；

所述至少对再次筛选得到的多个待处理脉冲进行后处理得到量子密钥，包括：

对所述多个待处理脉冲、所述多个第一目标脉冲对和所述多个第一待选脉冲对进行后处理得到所述量子密钥。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述对所述多个待处理脉冲、所述多个第一目标脉冲对和所述多个第一待选脉冲对进行后处理得到所述量子密钥，包括：

基于脉冲的光强信息，根据就近原则将所述多个待处理脉冲进行不重复配对，得到多个第二待选脉冲对；其中，所述第二待选脉冲对为其脉冲光强相同，且对等发送端包括的轮次相同的脉冲对的脉冲光强也相同的脉冲对；

将所述多个第一目标脉冲对、多个第一待选脉冲对和多个第二待选脉冲对进行后处理得到所述量子密钥。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述将所述多个第一目标脉冲对、多个第一待选脉冲对和多个第二待选脉冲对进行后处理得到所述量子密钥，包括：

基于脉冲的相位信息，对所述多个第一待选脉冲对和多个第二待选脉冲对进行筛选，得到多个第二目标脉冲对；其中，所述第二目标脉冲对的脉冲相位差，与对等发送端包括的轮次相同的脉冲对的脉冲相位差的绝对差为0或；

对所述多个第一目标脉冲对和所述多个第二目标脉冲对进行密钥映射、参数估计和密钥提取，得到所述量子密钥。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述本轮量子态由所述发送端的量子光源产生的本轮脉冲编码得到，包括：

所述本轮量子态由所述发送端的量子光源产生的本轮脉冲编码为量子态得到；

其中，为所述本轮脉冲的光强，所述光强从0和两个非0的不同预设光强中随机选取，为所述本轮脉冲的随机相位。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述接收端的测量结果为有响应包括，所述两个对等的发送端分别发送的本轮量子态，在所述接收端的测量结果为至少一个有响应。

10.一种基于模式配对的量子密钥分发设备，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：

实验模块，用于执行目标轮数的量子实验，得到所有在所述接收端的测量结果为有响应的本轮量子态对应的第一本轮脉冲；所述本轮量子态由所述发送端的量子光源产生的本轮脉冲编码得到；

配对模块，用于将所有所述第一本轮脉冲中任意两个相邻脉冲进行不重复配对，得到配对成功的多个第一脉冲对；

筛选模块，用于对所述多个第一脉冲对的配对基矢进行筛选，得到配对基矢无效的多个第二脉冲对；所述配对基矢无效的脉冲对为其脉冲光强为不同非0的脉冲对，或其脉冲光强为相同非0，且对等发送端包括的轮次相同的脉冲对的脉冲光强只有一个为0的脉冲对；

处理模块，用于基于脉冲的光强信息，至少对所述多个第二脉冲对包括的脉冲进行再次筛选，并至少对再次筛选得到的多个待处理脉冲进行后处理得到量子密钥。