CN108306733A - 一种用于离散调制连续变量量子密钥分发中的后处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于离散调制连续变量量子密钥分发中的后处理方法，该方法具体实现步骤如下：步骤1：双方根据离散调制连续变量量子密钥分发***中量子探测的方式进行基选择，并将数据分为两部分，一部分用于参数估计，另外一部分用于密钥提取。步骤2：双方利用参数估计部分数据估计量子信道特征，包括信道传输率、过量噪声等值，并估计量子信道的信噪比和***的安全码率。步骤3：双方利用密钥提取部分数据，根据离散调制***的特点进行数据协调和私钥放大，最终使得双方共享一组无条件安全的密钥。本发明中的方法可以实现离散调制连续变量量子密钥分发中的后处理算法，使合法通信双方获得无条件安全的密钥。

Description

一种用于离散调制连续变量量子密钥分发中的后处理方法
技术领域
本发明涉及连续变量量子密钥分发技术领域，主要是应用于离散调制***中的一种后处理方法。该方法可以实现离散调制***的后处理，得到无条件安全的密钥。
背景技术
连续变量量子密钥分发(Continuous-variable Quantum Key Distribution，CV-QKD)是量子信息技术中发展较为成熟的技术，可以为加解密提供安全的密钥，具有很大的应用优势。
离散调制CV-QKD***只需制备少量的相干态即可满足要求，复杂度较低。离散调制CV-QKD***主要包含两个部分，一是物理部分，包括量子态的制备，传输和探测等。一是数据后处理部分，主要包括基选择，参数估计，数据协调和私钥放大等。经过物理部分后，合法通信双方共享一组具有相关性的初始密钥。由于量子信道存在损耗，噪声，潜在窃听等干扰，双方的初始密钥是不一致的，而且是不安全的。因此需要通过后处理步骤使得双方获得一致且安全的密钥。首先利用基选择步骤使得双方共享一组具有相同基的初始密钥；然后利用参数估计步骤估计量子信道特征，并计算***安全性码率等；接下来选择合适的协商算法以及纠错码实现高效数据协调；最后通过私钥放大步骤去除不安全的信息。经过上述后处理步骤，双方可以获得一组无条件安全的密钥。但是上述过程是对于高斯调制CV-QKD***的，并不全部适用于离散调制CV-QKD***，为了确保最终密钥的安全性，需要设计一种适合离散调制CV-QKD***的后处理方法，对于***的安全性以及性能提升很有必要。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于离散调制连续变量量子密钥分发中的后处理方法。该方法提出了一种适用于离散调制CV-QKD***中的后处理方法，可以使得合法通信双方获得一组无条件安全的密钥。
本发明通过以下步骤实现上述方法：
步骤1：双方根据离散调制连续变量量子密钥分发***中量子探测的方式进行基选择，并将数据分为两部分，一部分用于参数估计，另外一部分用于密钥提取。
步骤2：双方利用参数估计部分数据估计量子信道特征，包括信道传输率、过量噪声等值，并估计量子信道的信噪比和***的安全码率。
步骤3：双方利用密钥提取部分数据，根据离散调制***的特点进行数据协调和私钥放大，最终使得双方共享一组无条件安全的密钥。
步骤1的具体步骤如下：
步骤1A：双方根据离散调制连续变量量子密钥分发***中量子探测的方式进行基选择。如果使用零差探测，那么接收端随机测量其中一个分量，然后将测量基公开，发送端保存相同测量基的数据。如果使用外差探测，那么双方保存所有数据。需要注意的是由于是离散调制***，所以发送端数据服从离散高斯分布，即数据离散，但是包络服从高斯分布；
步骤1B：双方将基选择后的数据随机分为两部分，一部分用于参数估计，另一部分用于密钥提取。通常两部分数据比例为一比一，实际比例需要根据***参数估计得出。
步骤2的具体步骤如下：
步骤2A：双方利用参数估计部分数据估计量子信道特征，包括信道传输率、过量噪声等值；
步骤2B：利用估计出的信道传输率、过量噪声等进一步计算出信号方差，噪声方差，量子信道的信噪比等，然后据此选择合适的纠错码，并进行译码初始化等；
步骤2C：根据参数估计结果，以及离散调制格式，选择对应的安全码率计算方法，进一步估计出离散调制***的安全码率。为了保证***的实际安全性，需要考虑有限码长等因素的影响。
步骤3的具体步骤如下：
步骤3A：双方利用密钥提取部分数据，并根据参数估计得到的信噪比等值选择协商方法。通常对于高信噪比***，选择slice协调。对于低信噪比***，选择多维协商；
步骤3B：双方利用选定的协商方法对密钥提取部分数据进行量化或者旋转，使得双方可以利用经典信道编码技术进行纠错；
步骤3C：根据参数估计结果，主要是量子信道信噪比，选择合适的纠错码。然后利用此纠错码进行编译码；
步骤3D：对纠错判定成功后的密钥进行错误校验，进一步确认双方纠错后密钥是否一致；
通常情况下，后处理中的数据协调部分包含密钥提取数据的协商(量化、旋转等)、纠错和错误校验等。
步骤3E：对通过错误校验的纠错后密钥进行私钥放大，得到最终的安全密钥。在私钥放大时，为了保证***安全性，也要考虑有限码长等的影响。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
现有的后处理算法是基于高斯调制CV-QKD***的，本发明中的方法根据离散调制***的特点，实现了离散调制的后处理算法。并且考虑了实际情况，比如有限码长等，确保了密钥的安全性。还能够适用不同信噪比的***，通过实际情况，选择合适的协商方法和纠错码，实现高效数据协调。
附图说明
图1为离散调制CV-QKD***后处理算法流程图(正向协调)
具体实施方式
下面举例具体说明本发明的方法。本发明提供一种用于离散调制连续变量量子密钥分发中的后处理方法，以正向协调为例，具体实施方式如下：
合法通信双方根据离散调制CV-QKD***所用协议信息，进行基选择。如果接收端使用零差探测，那么其保存相应测量基的探测数据，并记录所用测量基，然后将测量基公开，发送端保存与之相同基的数据。如果接收端使用外差探测，那么双方保存所有原始数据。
在完成基选择步骤后，双方将初始数据分为两部分，一部分进行参数估计，另一部分进行密钥提取。参数估计步骤主要估计的是量子信道的信道传输率，过量噪声等值，基于上述结果估计发送端信号方差，噪声方差，信道的信噪比以及***的安全码率等，其中在估计离散调制***安全码率时，需要根据不同的离散调制格式选择对应的计算方法。在参数估计过程中，为了确保***的安全性，需要考虑有限码长等因素的影响。
接下来，双方根据量子信道的信噪比等选择合适的协商方法。对于高信噪比***，通常采用slice协商算法。双方根据参数估计结果以及离散调制CV-QKD***参数等，选定量化位数，计算最优量化区间，选择合适的纠错码进行量化编码，分层译码等。对于低信噪比***，通常采用多维协商算法。双方选定多维协商的维数，然后分别进行分组归一化，发送端随机产生二进制随机数，并计算映射关系，接收端用同样的映射关系进行数据旋转。接下来选择合适的纠错码进行编译码，得到一致的密钥。两种协商算法在纠错完成以后，都需要进一步确认纠错后密钥是否仍旧存在误码，因此还需要进行错误校验。
双方的纠错后密钥通过错误校验后，虽然密钥是一致的，但是潜在窃听者可能掌握其中部分信息，因此需要通过私钥放大步骤，压缩密钥，去除不安全的信息，以获得无条件安全的密钥。此过程是通过通用散列函数实现的。在执行私钥放大步骤时，同样需要考虑有限码长等因素的影响。
通过上述实例，详细说明了本发明如何实现离散调制CV-QKD***的后处理过程。
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)

1.一种用于离散调制连续变量量子密钥分发中的后处理方法，包括如下步骤：
步骤1：双方根据离散调制连续变量量子密钥分发***中量子探测的方式进行基选择，并将数据分为两部分，一部分用于参数估计，另外一部分用于密钥提取；
步骤2：双方利用参数估计部分数据估计量子信道特征，包括信道传输率、过量噪声等值，并估计量子信道的信噪比和***的安全码率；
步骤3：双方利用密钥提取部分数据，根据离散调制***的特点进行数据协调和私钥放大，最终使得双方共享一组无条件安全的密钥。
2.根据权利要求1所述的一种用于离散调制连续变量量子密钥分发中的后处理方法，步骤1的具体步骤如下：
步骤1A：双方根据离散调制连续变量量子密钥分发***中量子探测的方式进行基选择。如果使用零差探测，那么接收端随机测量其中一个分量，然后将测量基公开，发送端保存相同测量基的数据。如果使用外差探测，那么双方保存所有数据。需要注意的是由于是离散调制***，所以发送端数据服从离散高斯分布，即数据离散，但是包络服从高斯分布；
步骤1B：双方将基选择后的数据随机分为两部分，一部分用于参数估计，另一部分用于密钥提取。通常两部分数据比例为一比一，实际比例需要根据***参数估计得出。
3.根据权利要求1所述的一种用于离散调制连续变量量子密钥分发中的后处理方法，步骤2的具体步骤如下：
步骤2A：双方利用参数估计部分数据估计量子信道特征，包括信道传输率、过量噪声等值；
步骤2B：利用估计出的信道传输率、过量噪声等进一步计算出信号方差，噪声方差，量子信道的信噪比等，然后据此选择合适的纠错码，并进行译码初始化等；
步骤2C：根据参数估计结果，以及离散调制格式，选择对应的安全码率计算方法，进一步估计出离散调制***的安全码率，为了保证***的实际安全性，需要考虑有限码长等因素的影响。
4.根据权利要求1所述的一种用于离散调制连续变量量子密钥分发中的后处理方法，步骤3的具体步骤如下：
步骤3A：双方利用密钥提取部分数据，并根据参数估计得到的信噪比等值选择协商方法。通常对于高信噪比***，选择slice协调。对于低信噪比***，选择多维协商；
步骤3B：双方利用选定的协商方法对密钥提取部分数据进行量化或者旋转，使得双方可以利用经典信道编码技术进行纠错；
步骤3C：根据参数估计结果，主要是量子信道信噪比，选择合适的纠错码。然后利用此纠错码进行编译码；
步骤3D：对纠错判定成功后的密钥进行错误校验，进一步确认双方纠错后密钥是否一致；
通常情况下，后处理中的数据协调部分包含密钥提取数据的协商(量化、旋转等)、纠错和错误校验等。
步骤3E：对通过错误校验的纠错后密钥进行私钥放大，得到最终的安全密钥。在私钥放大时，为了保证***安全性，也要考虑有限码长等的影响。
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