CN106789035B - 一种用于连续变量量子密钥分发***中的信噪比自适应数据协调方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于连续变量量子密钥分发***中的信噪比自适应数据协调方法。其实现步骤如下，步骤1：利用参数估计步骤估计出数据的信噪比，根据此信噪比选择最优码率的校验矩阵；步骤2：根据最优码率校验矩阵的最佳信噪比工作点和数据的实际信噪比，计算需要加入的噪声的方差；步骤3：利用真随机数发生器产生服从上述高斯分布的噪声，然后将其加入到原始数据中；步骤4：利用纠错码进行编译码。本发明采用的方法可以灵活地调整经过实际量子信道传输的数据的信噪比，使调整后的数据信噪比等于校验矩阵的最佳信噪比。该方法可以用于在一定信噪比范围内保持较高的协调效率，从而提升***的安全码率。

Description

一种用于连续变量量子密钥分发***中的信噪比自适应数据 协调方法

技术领域

本发明涉及信噪比自适应数据协调领域，具体涉及连续变量量子密钥分发后处理中的信噪比自适应数据协调方法。尤其适用于连续变量量子密钥分发中的时变量子信道，该方法可以根据实际信道的信噪比和对应纠错码校验矩阵的最优信噪比工作点，灵活的调整原始数据的信噪比，提高数据协调的协调效率，从而提高连续变量量子密钥分发***的安全码率。

背景技术

随着量子计算机等大规模计算的发展，现有的基于计算复杂度的传统密码体制不再安全。量子密钥分发(Quantum Key Distribution，QKD)是一种基于量子不可克隆定理的量子密码体质。它是基于物理原理实现的，具有无条件安全性。主要分为连续变量量子密钥分发(Continuous Variable Quantum Key Distribution，CV-QKD)和离散变量量子密钥分发(Discrete Variable Quantum Key Distribution，DV-QKD)。DV-QKD在单光子源的制备，单光子探测器等方面具有很大的技术难度。而CV-QKD可以直接利用商用激光器产生相干态，用平衡零拍探测器进行量子态的测量。因此近年来CV-QKD吸引了很多学者对其进行研究。

CV-QKD分为量子通信阶段和经典通信阶段。量子通信主要是传输量子态，经典通信是通过后处理提取安全密钥。量子信道是时变信道，其信道特征实时变化。经典信道是公开认证信道，传输信息无差错，窃听者可以掌握经典信道传输的信息，但是无法改变。

由于量子信道是时变信道，信道的损耗和噪声对传输的量子态会产生影响。因此双方的原始数据只是具有关联性，需要通过CV-QKD后处理使得双方共享相同的密钥。在长距离CV-QKD中量子信号十分微弱，信噪比极低，纠错难度极大。低密度奇偶校验码(LDPC码)是一种逼近Shannon极限的纠错码，它是一种线性分组码。其校验矩阵具有稀疏性，即矩阵中非零元素个数远低于零元素个数，这种稀疏性保证了LDPC码是一种低复杂度、高性能的好码。虽然传统LDPC码的性能逼近Shannon极限，但是在信噪比极低的情况下，仍旧很难纠错，因此产生了多边类型LDPC码，它是LDPC码更一般化的形式，其主要特点是拥有多种类型的边，这种结构非常适合低信噪比译码。

实际CV-QKD***中，量子信道的信道特征是实时变化的，而用于纠错的校验矩阵个数有限，无法适用于所有的实验数据，只能使用现有与之接近且信噪比低于该组数据的校验矩阵进行纠错，这将导致协调效率的降低，从而降低***的安全码率。因此现有算法只适合信道特征不变的信道，无法适用于时变信道。为了解决量子信道的信道特征实时变化这一问题，需要根据现有的校验矩阵调整数据的信噪比，即信噪比自适应算法，以保证数据协调的性能。因此为了获得安全码率，研究一种适合CV-QKD的信噪比自适应数据协调算法很有必要。

发明内容

本发明的目的是为了解决CV-QKD***量子信道的信噪比实时变化的问题，而提出的一种用于连续变量量子密钥分发中的信噪比自适应数据协调方法，以保证CV-QKD后处理的纠错性能，从而提升***的安全码率。

本发明的一种用于连续变量量子密钥分发***中的信噪比自适应数据协调方法通过以下步骤实现：

步骤1：利用连续变量量子密钥分发后处理中的参数估计步骤估计出量子信道的实际信噪比SNR_real，根据此信噪比以及公式R＝βC，选择最优码率R_opt的校验矩阵，其中R表示校验矩阵码率，β表示协调效率，C表示信道容量；

步骤2：根据最优码率R_opt校验矩阵的最佳信噪比SNR_opt和量子信道的实际信噪比SNR_real，SNR_opt计算方法为

，其中C_opt＝R_opt/β，然后计算需要加入的噪声的方差δ²；

步骤3：利用真随机数发生器产生均值为0方差为δ²的服从高斯分布的噪声，其长度与Alice和Bob的数据长度相同，然后将其加入到Alice或Bob的数据中；

步骤4：利用纠错码进行编译码。

步骤1的具体步骤如下：

步骤1A：利用连续变量量子密钥分发后处理中的参数估计步骤估计出量子信道的实际信噪比SNR_real，并计算对应的信道容量

步骤1B：根据步骤1A得到的信道容量，以及信道容量，校验矩阵码率和协调效率之间的关系R＝βC，选择一个低于但是最接近该实际信道容量的最优码率R_opt的校验矩阵。

步骤2的具体步骤如下：

步骤2A：根据上一步计算出的最优码率R_opt，计算出该最优码率的校验矩阵对应的最优信道容量C_opt＝R_opt/β，其中C_opt≤C_real，C_real为实际信道容量；

步骤2B：根据最优信道容量C_opt计算出对应的最佳信噪比

步骤2C：根据实际信噪比SNR_real和最优信噪比SNR_opt计算需要加入的噪声的方差δ²。

步骤3的具体步骤如下：

步骤3A：利用真随机数发生器产生均值为0的方差为δ²的服从高斯分布的随机数，其长度与Alice和Bob的原始数据等长；

步骤3B：将步骤3A产生的高斯随机数加入到Alice或者Bob的原始数据中。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

在CV-QKD***中，量子信道的信噪比是实时变化的。而CV-QKD后处理数据协调的纠错性能和量子信道的信噪比有着密切的关系。如果信噪比实时变化，那么纠错码的码率也要随之变化，否则协调效率将会降低，从而导致***安全码率的降低。然而实际上只有有限个纠错码的校验矩阵，无法满足所有的情况。本发明的方法可以灵活地调整经过量子信道传输的数据的信噪比，以适应对应码率的校验矩阵的最佳信噪比工作点，提升数据协调的协调效率，从而提高CV-QKD***的安全码率。

附图说明

图1为本发明所用方法的流程图

具体实施方式：

下面结合说明书附图详细说明本发明所使用方法的具体实施方式。

假设x为Alice端原始数据，y为Bob端原始数据，z为量子信道的噪声。满足如下关系式：

y＝x+z (1)

其中x～N(0,V_A)，z～N(0,σ²)，y～N(0,V_A+σ²)。

利用CV-QKD后处理中的参数估计步骤估计出量子信道的实际信噪比：

然后计算出量子信道的实际信道容量：

接下来根据信道容量，校验矩阵码率和协调效率之间的关系，选择一个最佳信噪比工作点低于且最接近实际信噪比的码率R_opt的校验矩阵。三者之间的关系为：

其中β为协调效率，R为校验矩阵码率，C为信道容量。

通过(4)式和选择的最佳校验矩阵码率R_opt计算出该校验矩阵对应的可纠错的最佳信道容量C_opt＝R_opt/β。然后计算得到对应的最佳信噪比

本专利改变信噪比的方法是通过向原始数据中加入噪声实现的。既可以向Alice端的原始数据中加入噪声，也可以向Bob端的原始数据中加入噪声，还可以同时向Alice和Bob两端加入噪声。这几种方法都是等效的，为了简单起见，我们假设向Bob端加入噪声。此时信道模型变为：

y＝x+z+z′ (5)

其中z′即为加入的噪声，z′～N(0,δ²)。此时信噪比变为：

通过(6)式计算出需要加入的噪声的方差：

然后产生服从z′～N(0,δ²)分布的随机数，长度与Alice和Bob的原始数据相同，并将其加入到Bob的原始数据中。

最后Alice和Bob利用该校验矩阵进行编译码。

通过上述实例，详细说明了本发明如何在时变信道下灵活的根据信道特性调整信噪比的过程。解决了在信道特性变化快且校验矩阵个数有限的情况下，无法保证良好的纠错性能这一困难。本发明采用的方法可以提高数据协调的协调效率，从而提升CV-QKD***的安全码率。

本发明并不局限于上述实例，凡是在权利要求范围内做出的任何形式的变形或者修改，均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种用于连续变量量子密钥分发***中的信噪比自适应数据协调方法，包括如下步骤：

步骤1：利用连续变量量子密钥分发后处理中的参数估计步骤估计出量子信道的实际信噪比SNR_real，根据此信噪比以及公式R＝βC，选择最优码率R_opt的校验矩阵，其中R表示校验矩阵码率，β表示协调效率，C表示信道容量；

步骤2：根据最优码率R_opt校验矩阵的最佳信噪比SNR_opt和量子信道的实际信噪比SNR_real，SNR_opt计算方法为

其中C_opt＝R_opt/β，然后计算需要加入的噪声的方差δ²；

步骤3：利用真随机数发生器产生均值为0方差为δ²的服从高斯分布的噪声，其长度与Alice和Bob的数据长度相同，然后将其加入到Alice或Bob的数据中；

步骤4：利用纠错码进行编译码。

2.根据权利要求1所述的一种用于连续变量量子密钥分发***中的信噪比自适应数据协调方法，步骤1的具体步骤如下：

步骤1A：利用连续变量量子密钥分发后处理中的参数估计步骤估计出量子信道的实际信噪比SNR_real，并计算对应的信道容量

步骤1B：根据步骤1A得到的信道容量，以及信道容量，校验矩阵码率和协调效率之间的关系R＝βC，选择一个低于但是最接近该实际信道容量的最优码率R_opt的校验矩阵。

3.根据权利要求1所述的一种用于连续变量量子密钥分发***中的信噪比自适应数据协调方法，步骤2的具体步骤如下：

步骤2A：根据上一步计算出的最优码率R_opt，计算出该最优码率的校验矩阵对应的最优信道容量C_opt＝R_opt/β，其中C_opt≤C_real，C_real为实际信道容量；

步骤2B：根据最优信道容量C_opt计算出对应的最佳信噪比

步骤2C：根据实际信噪比SNR_real和最优信噪比SNR_opt计算需要加入的噪声的方差δ²。

4.根据权利要求1所述的一种用于连续变量量子密钥分发***中的信噪比自适应数据协调方法，步骤3的具体步骤如下：

步骤3A：利用真随机数发生器产生均值为0的方差为δ²的服从高斯分布的随机数，其长度与Alice和Bob的原始数据等长；

步骤3B：将步骤3A产生的高斯随机数加入到Alice或者Bob的原始数据中。

Images