CN109842486A - 一种四态调制连续变量量子密钥分发数据协调方法及*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种四态调制连续变量量子密钥分发数据协调方法及***，所述方法包括：将密钥调制到相干态，通过量子信道发送至接收端；利用平衡零差探测器获取测量结果，进而获取相干态的归一化结果，并确定滤函数值，判断是否保留各位密钥，若是，则在该位密钥的位置标记冻结位信息，将保留的密钥中密钥信息段通过经典信道发送至发送端；判断量子信道是否安全，将判断信息发送至接收端；若判断信息为量子信道安全，则将除密钥信息段外的密钥信息的冻结位信息经***Polar码编码后发送至发送端；经***Polar码译码，获取该冻结位信息对应的密钥信息，经密性放大，获取最终安全密钥。本发明可提高数据协调效率，有效提取安全密钥，可以降低设备复杂度。
Description
技术领域
本发明属于量子信息科学交叉技术领域，具体涉及一种四态调制连续变量量子密钥分发数据协调方法及***。
背景技术
依据量子力学的物理特性，量子密钥分发(Quantum key distribution,QKD)协议在发送者和接收者之间通过量子信道传输编码信息的量子态，可在合法用户间建立安全的通信密钥，并从物理机制上保证其安全性和对窃听者的可检测性。QKD协议的理论方案都包含两个部分，第一部分包括数据的编码、传输、解码，目的是在两个用户之间建立共享数据，获得筛选密钥；第二部分是通过误码率估计，检测出已有的传输过程是否安全。如果结果表明传输过程安全，则可通过信息后处理方法，最终获得安全的密钥。与离散变量量子密钥分发(DVQKD)协议利用光子的偏振、相位等离散变量来承载信息不同，连续变量量子密钥分发(CVQKD)是一种利用连续变化的物理量来承载所需分发的密钥信息的量子密钥分发协议。因其制备设备简单、探测效率高、与现有光纤网络兼容性好等优势，成为量子密钥分发的研究热点。
在连续变量量子密钥分发协议中，不仅可以选择不同的量子态作为信息的载体，还可以选择不同的信息调制方式，最常见的有高斯调制和离散调制。理论和实验表明，高斯调制的CVQKD协议虽有着互信息最大的优势，其缺点也十分明显，即通信距离远远小于离散变量量子密钥分发协议。主要原因是随着通信距离的增加，数据协调效率下降迅速。目前解决这个问题有两种思路：一种是设计出性能更好的数据协调算法，在信噪比很低的情况下也仍有较高的协调效率；另一种是使用非高斯调制协议。
2009年，Leverrier等人提出了二态和四态调制的相干态CVQKD协议，这是非高斯调制协议的一种，增加了通信传输距离，但该协议使用的线性无噪放大器设备复杂且实际成功率远低于期望值，因此无法满足需求。
发明内容
本发明提供一种四态调制连续变量量子密钥分发数据协调方法及***，其目的是基于本发明提供的一种四态调制连续变量量子密钥分发数据协调方法及***，提高数据协调效率，有效提取安全密钥，并降低设备复杂度。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
一种四态调制连续变量量子密钥分发数据协调方法，其改进之处在于，所述方法用于发送端，包括：
通过激光器将密钥调制到相干态的振幅分量和相位分量上，并通过量子信道将所述相干态发送至接收端；
根据接收到的密钥与所述发送端自身原有的密钥的误码率判断所述量子信道是否安全，并将判断信息发送至接收端；
接收来自接收端返回的密钥的冻结位信息；
获取接收的冻结位信息在所述发送端自身原有的密钥上对应的密钥信息；
将所述冻结位信息在所述发送端自身原有的密钥上对应的密钥信息密性放大，获取最终安全密钥。
优选的，所述接收到的密钥为所述接收端对所述相干态进行如下处理后发送至所述发送端的密钥信息段：
利用平衡零差探测器测量接收到的相干态，获取所述密钥中各位密钥的平衡零差探测器测量结果；
根据所述密钥中各位密钥的平衡零差探测器测量结果获取所述相干态的归一化结果，并确定所述相干态的归一化结果的滤函数的值；
根据所述相干态的归一化结果的滤函数的值判断是否保留所述密钥中各位密钥，若是，则保留该位密钥，并在该位密钥的位置标记冻结位信息；
将保留的密钥中密钥信息段通过经典信道发送至发送端。
优选的，所述根据接收到的密钥与所述发送端自身原有的密钥的误码率判断所述量子信道是否安全，包括：
若所述根据接收到的密钥与其自身原有的密钥的误码率大于误码率阈值，则判断信息为量子信道不安全；若所述根据接收到的密钥与其自身原有的密钥的误码率小于等于误码率阈值，则判断信息为量子信道安全。
优选的，所述获取接收的冻结位信息在所述发送端自身原有的密钥上对应的密钥信息，包括：
接收***Polar码编码后的冻结位信息，再经***Polar码译码获取所述冻结位信息；
获取所述冻结位信息在所述发送端自身原有的密钥上对应的密钥信息。
进一步的，所述经***Polar码译码获取所述冻结位信息，包括：
若密钥中第m位密钥的平衡零差探测器测量结果的振幅分量上的编码为1，密钥中第m位密钥的平衡零差探测器测量结果的相位分量上的编码为1，则相干态为|α0>＝|αeiπ/4>；
若密钥中第m位密钥的平衡零差探测器测量结果的振幅分量上的编码为0，密钥中第m位密钥的平衡零差探测器测量结果的相位分量上的编码为1，则相干态为|α1>＝|αe3iπ/4>；
若密钥中第m位密钥的平衡零差探测器测量结果的振幅分量上的编码为0，密钥中第m位密钥的平衡零差探测器测量结果的相位分量上的编码为0，则相干态为|α2>＝|αe5iπ/4>；
若密钥中第m位密钥的平衡零差探测器测量结果的振幅分量上的编码为1，密钥中第m位密钥的平衡零差探测器测量结果的相位分量上的编码为0，则相干态为|α3>＝|αe7iπ/4>；
其中，α为相干态系数。
一种四态调制连续变量量子密钥分发数据协调方法，其改进之处在于，所述方法用于接收端，包括：
利用平衡零差探测器测量接收到的相干态，获取所述密钥中各位密钥的平衡零差探测器测量结果；
根据所述密钥中各位密钥的平衡零差探测器测量结果获取所述相干态的归一化结果，并确定所述相干态的归一化结果的滤函数的值；
根据所述相干态的归一化结果的滤函数的值判断是否保留所述密钥中各位密钥，若是，则保留该位密钥，并在该位密钥的位置标记冻结位信息；
将保留的密钥中密钥信息段通过经典信道发送至发送端；
若接收的判断信息为量子信道安全，则将保留的密钥中除密钥信息段外的密钥信息的冻结位信息通过所述经典信道发送至发送端；
将所述保留的密钥中除密钥信息段外的密钥信息密性放大，获取最终安全密钥。
优选的，按下式确定所述相干态的归一化结果v：
上式中，是所述密钥中各位密钥的平衡零差探测器测量结果，g是线性无噪放大器放大倍数。
优选的，按下式确定所述相干态的归一化结果的滤函数的值Pacc(v)：
其中， v是相干态归一化结果，是所述密钥中各位密钥的平衡零差探测器测量结果，g是线性无噪放大器放大倍数，Δ是自定义的中间值。
优选的，所述根据所述密钥中各位密钥的测量结果的滤函数的值判断是否保留所述密钥中各位密钥，包括：
若所述密钥中第m位密钥的滤函数值大于等于滤函数阈值，则保留所述第m位密钥，并在所述密钥中第m位密钥的位置标记冻结位信息，若所述密钥中第m位密钥的滤函数值小于滤函数阈值，则判断下一位密钥。
优选的，所述将保留的密钥中除密钥信息段外的密钥信息的冻结位信息通过所述经典信道发送至发送端，包括：
将保留的密钥中除密钥信息段外的密钥信息的冻结位信息经***Polar码编码后通过所述经典信道发送至发送端。
进一步的，所述***Polar码编码包括：
若密钥中第m位密钥的平衡零差探测器测量结果的振幅分量或相位分量为正值，则编码为1；若密钥中第m位密钥的平衡零差探测器测量结果的振幅分量或相位分量为负值，则编码为0。
本发明还包括一种四态调制连续变量量子密钥分发数据协调***，其改进之处在于，所述***用于发送端，包括：
调制单元，用于通过激光器将密钥调制到相干态的振幅分量和相位分量上，并通过量子信道将所述相干态发送至接收端；
第一判断单元，用于根据接收到的密钥与所述发送端自身原有的密钥的误码率判断所述量子信道是否安全，并将判断信息发送至接收端；
接收单元，用于接收来自接收端返回的密钥的冻结位信息；
第一获取单元，用于获取接收的冻结位信息在所述发送端自身原有的密钥上对应的密钥信息；
第二获取单元，用于将所述冻结位信息在所述发送端自身原有的密钥上对应的密钥信息密性放大，获取最终安全密钥。
优选的，所述接收到的密钥为所述接收端对所述相干态经过如下模块处理后发送至所述发送端的密钥信息段：
第一获取模块，用于利用平衡零差探测器测量接收到的相干态，获取所述密钥中各位密钥的平衡零差探测器测量结果；
第一确定模块，用于根据所述密钥中各位密钥的平衡零差探测器测量结果获取所述相干态的归一化结果，并确定所述相干态的归一化结果的滤函数的值；
判断模块，用于根据所述相干态的归一化结果的滤函数的值判断是否保留所述密钥中各位密钥，若是，则保留该位密钥，并在该位密钥的位置标记冻结位信息；
发送模块，用于将保留的密钥中密钥信息段通过经典信道发送至发送端。
优选的，所述第一判断单元，用于：
若所述根据接收到的密钥与其自身原有的密钥的误码率大于误码率阈值，则判断信息为量子信道不安全；若所述根据接收到的密钥与其自身原有的密钥的误码率小于等于误码率阈值，则判断信息为量子信道安全。
优选的，所述第一获取单元，包括：
译码模块，用于接收***Polar码编码后的冻结位信息，再经***Polar码译码获取所述冻结位信息；
第二获取模块，用于获取所述冻结位信息在所述发送端自身原有的密钥上对应的密钥信息。
进一步的，所述译码模块，用于：
若密钥中第m位密钥的平衡零差探测器测量结果的振幅分量上的编码为1，密钥中第m位密钥的平衡零差探测器测量结果的相位分量上的编码为1，则相干态为|α0>＝|αeiπ/4>；
若密钥中第m位密钥的平衡零差探测器测量结果的振幅分量上的编码为0，密钥中第m位密钥的平衡零差探测器测量结果的相位分量上的编码为1，则相干态为|α1>＝|αe3iπ/4>；
若密钥中第m位密钥的平衡零差探测器测量结果的振幅分量上的编码为0，密钥中第m位密钥的平衡零差探测器测量结果的相位分量上的编码为0，则相干态为|α2>＝|αe5iπ/4>；
若密钥中第m位密钥的平衡零差探测器测量结果的振幅分量上的编码为1，密钥中第m位密钥的平衡零差探测器测量结果的相位分量上的编码为0，则相干态为|α3＞＝|αe7i π/4>；
其中，α为相干态系数。
一种四态调制连续变量量子密钥分发数据协调***，其改进之处在于，所述***用于接收端，包括：
第三获取单元，用于利用平衡零差探测器测量接收到的相干态，获取所述密钥中各位密钥的平衡零差探测器测量结果；
第一确定单元，用于根据所述密钥中各位密钥的平衡零差探测器测量结果获取所述相干态的归一化结果，并确定所述相干态的归一化结果的滤函数的值；
第二判断单元，用于根据所述相干态的归一化结果的滤函数的值判断是否保留所述密钥中各位密钥，若是，则保留该位密钥，并在该位密钥的位置标记冻结位信息；
第一发送单元，用于将保留的密钥中密钥信息段通过经典信道发送至发送端；
第二发送单元，用于若接收的判断信息为量子信道安全，则将保留的密钥中除密钥信息段外的密钥信息的冻结位信息通过所述经典信道发送至发送端；
第四获取单元，用于将所述保留的密钥中除密钥信息段外的密钥信息密性放大，获取最终安全密钥。
优选的，所述第一确定单元，包括：
第二确定模块，用于按下式确定所述相干态的归一化结果v：
上式中，是所述密钥中各位密钥的平衡零差探测器测量结果，g是线性无噪放大器放大倍数。
优选的，所述第一确定单元，包括：
第三确定模块，用于按下式确定所述相干态的归一化结果的滤函数的值Pace(v)：
其中， v是相干态归一化结果，是所述密钥中各位密钥的平衡零差探测器测量结果，g是线性无噪放大器放大倍数，Δ是自定义的中间值。
优选的，所述第二判断单元，用于：
若所述密钥中第m位密钥的滤函数值大于等于滤函数阈值，则保留所述第m位密钥，并在所述密钥中第m位密钥的位置标记冻结位信息，若所述密钥中第m位密钥的滤函数值小于滤函数阈值，则判断下一位密钥。
优选的，所述第二发送单元，包括：
编码模块，用于将保留的密钥中除密钥信息段外的密钥信息的冻结位信息经***Polar码编码后通过所述经典信道发送至发送端。
进一步的，所述编码模块，用于：
若密钥中第m位密钥的平衡零差探测器测量结果的振幅分量或相位分量为正值，则编码为1；若密钥中第m位密钥的平衡零差探测器测量结果的振幅分量或相位分量为负值，则编码为0。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有如下有益效果：
将密钥调制到相干态上，通过量子信道发送至接收端；利用平衡零差探测器获取测量结果，进而获取相干态的归一化结果，并确定滤函数值，判断是否保留各位密钥，若是，则在该位密钥的位置标记冻结位信息，将保留的密钥中密钥信息段通过经典信道发送至发送端；判断量子信道是否安全，将判断信息发送至接收端；若判断信息为量子信道安全，则将保留的密钥中除密钥信息段外的密钥信息的冻结位信息经***Polar码编码后发送至发送端；经***Polar码译码，获取该冻结位信息对应的密钥信息，经密性放大后，获取最终安全密钥；
本发明利用滤函数模拟线性无噪放大器的物理实现过程，将滤函数应用到四态调制的相干态CVQKD协议中，降低设备复杂度，避免物理实现的困难，且通信传输距离远，以一定的概率提取密钥，保留正确率较大的密钥；并运用基于***Polar码的逆向数据协调方法对该协议进行分析，提高数据协调效率，有效提取安全密钥。
附图说明
图1是本发明一种四态调制连续变量量子密钥分发数据协调方法的流程图；
图2是本发明一种四态调制连续变量量子密钥分发数据协调方法实现示意图；
图3是本发明一种四态调制连续变量量子密钥分发数据协调方法在不同传输距离下的分布数结果图；
图4(a)、图4(b)分别是本发明一种四态调制连续变量量子密钥分发数据协调方法L为120km、140km时在不同放大倍数下的分布数结果图；
图5是本发明提供的技术方案中基于***Polar码的逆向数据协调方法的示意图；
图6是本发明提供的技术方案中基于***Polar码的逆向数据协调方法在不同码率下的误比特率变化曲线图；
图7是本发明一种四态调制连续变量量子密钥分发数据协调***的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
2009年，Leverrier等人提出了二态和四态调制的相干态CVQKD协议，它们是非高斯调制协议的一种，大大增加了通信传输距离。但是该协议使用了线性无噪放大器，由于线性无噪放大器的设备复杂且实际成功率远低于期望值，因此本发明提出一种用滤函数模拟线性无噪放大器的物理实现过程，将该方法应用到四态调制的相干态CVQKD协议中，并运用基于***Polar码的逆向数据协调方法对该协议进行分析。
在准备测量方案中，发送端Alice将准备四种相干态：S＝{αeiπ/4,αe3iπ/4,αe5iπ/4,αe7i/π4}并随机等概地选择这四个相干态中的一个发送至接收端Bob。Bob随机地对接收态的正交分量进行测量，相干态经过量子信道传输后强度有一定的衰减，且会叠加上从量子信道中引入的额外噪声ε。由于信道的衰减和信道噪声的叠加，会出现一部分密钥的误判，因此，我们可以通过后选择来模拟线性无噪放大器在四态调制中的应用。
若将量子态ρB输入一个线性无噪放大器后，假设放大成功，则可得到量子态为：
其中，为线性无噪放大算子。于是，当输入态为相干态|αeiπ(2k+1)/4＞，k∈{0，1，2，3}时，线性无噪放大器成功放大过程可表示为：
根据量子测量定义，对接收到的量子ρ进行测量，将以概率P(β)获得测量结果β:
其中|β>为测量算子。
若对量子态进行测量，测得结果的概率为，
由此可见，线性无噪放大器不仅放大了输入的量子态，同时也改变了获得该量子测量结果的概率。现设计后选择来实现该过程。令其中，为相干态通式，v为相干态归一化结果，g为线性无噪放大器放大倍数，可得
可以看出，线性无噪放大器的作用可通过一个后选择的滤函数来筛选所获的密钥获取。
然而，分析滤函数w(v)可以发现，由于g>1，使得该函数的概率总是大于1的，这显然不能达到筛选数据的目的。但是可以发现，v越大，则留下的概率越大，这与实际情况是相符的。当高斯分布的均值为0时，其大部分值都集中在0附近，所以我们可选一个合适的中间值Δ，将绝对值大于等于Δ的密钥完全保留，而绝对值小于Δ的密钥将以一定的概率保留。设测量结果被保留的概率为Pacc(v)，实际的滤函数Pacc(v)可设计为：
因此，本发明提供的一种四态调制连续变量量子密钥分发数据协调方法，如图1所示，包括：
发送端通过激光器将密钥调制到相干态的振幅分量和相位分量上，并通过量子信道将所述相干态发送至接收端；
接收端利用平衡零差探测器测量接收到的相干态，获取所述密钥中各位密钥的平衡零差探测器测量结果，根据所述密钥中各位密钥的平衡零差探测器测量结果获取所述相干态的归一化结果，并确定所述相干态的归一化结果的滤函数的值，根据所述相干态的归一化结果的滤函数的值判断是否保留所述密钥中各位密钥，若是，则保留该位密钥，并在该位密钥的位置标记冻结位信息，将保留的密钥中密钥信息段通过经典信道发送至发送端；
发送端根据接收到的密钥与所述发送端自身原有的密钥的误码率判断所述量子信道是否安全，并将判断信息发送至接收端；
接收端若接收的判断信息为量子信道安全，则将保留的密钥中除密钥信息段外的密钥信息的冻结位信息通过所述经典信道发送至发送端；
发送端接收来自接收端返回的密钥的冻结位信息，获取接收的冻结位信息在所述发送端自身原有的密钥上对应的密钥信息，将所述冻结位信息在所述发送端自身原有的密钥上对应的密钥信息密性放大，获取最终安全密钥；
接收端将所述保留的密钥中除密钥信息段外的密钥信息密性放大，获取最终安全密钥。
按下式确定所述相干态的归一化结果v：
上式中，是所述密钥中各位密钥的平衡零差探测器测量结果，g是线性无噪放大器放大倍数。
按下式确定所述相干态的归一化结果的滤函数的值Pacc(v)：
其中， v是相干态归一化结果，是所述密钥中各位密钥的平衡零差探测器测量结果，g是线性无噪放大器放大倍数，Δ是自定义的中间值。
所述根据所述密钥中各位密钥的测量结果的滤函数的值判断是否保留所述密钥中各位密钥，包括：
若所述密钥中第m位密钥的滤函数值大于等于滤函数阈值，则保留所述第m位密钥，并在所述密钥中第m位密钥的位置标记冻结位信息，若所述密钥中第m位密钥的滤函数值小于滤函数阈值，则判断下一位密钥。
所述接收到的密钥为所述接收端对所述相干态进行如下处理后发送至所述发送端的密钥信息段：
利用平衡零差探测器测量接收到的相干态，获取所述密钥中各位密钥的平衡零差探测器测量结果；
根据所述密钥中各位密钥的平衡零差探测器测量结果获取所述相干态的归一化结果，并确定所述相干态的归一化结果的滤函数的值；
根据所述相干态的归一化结果的滤函数的值判断是否保留所述密钥中各位密钥，若是，则保留该位密钥，并在该位密钥的位置标记冻结位信息；
将保留的密钥中密钥信息段通过经典信道发送至发送端。
所述根据接收到的密钥与所述发送端自身原有的密钥的误码率判断所述量子信道是否安全，包括：
若所述根据接收到的密钥与其自身原有的密钥的误码率大于误码率阈值，则判断信息为量子信道不安全；若所述根据接收到的密钥与其自身原有的密钥的误码率小于等于误码率阈值，则判断信息为量子信道安全。
所述将保留的密钥中除密钥信息段外的密钥信息的冻结位信息通过所述经典信道发送至发送端，包括：
将保留的密钥中除密钥信息段外的密钥信息的冻结位信息经***Polar码编码后通过所述经典信道发送至发送端。
所述***Polar码编码包括：
若密钥中第m位密钥的平衡零差探测器测量结果的振幅分量或相位分量为正值，则编码为1；若密钥中第m位密钥的平衡零差探测器测量结果的振幅分量或相位分量为负值，则编码为0。
所述获取接收的冻结位信息在所述发送端自身原有的密钥上对应的密钥信息，包括：
接收***Polar码编码后的冻结位信息，再经***Polar码译码获取所述冻结位信息；
获取所述冻结位信息在所述发送端自身原有的密钥上对应的密钥信息。
所述经***Polar码译码获取所述冻结位信息，包括：
若密钥中第m位密钥的平衡零差探测器测量结果的振幅分量上的编码为1，密钥中第m位密钥的平衡零差探测器测量结果的相位分量上的编码为1，则相干态为|α0>＝|αeiπ/4>；
若密钥中第m位密钥的平衡零差探测器测量结果的振幅分量上的编码为0，密钥中第m位密钥的平衡零差探测器测量结果的相位分量上的编码为1，则相干态为α1>＝|αe3iπ/4>；
若密钥中第m位密钥的平衡零差探测器测量结果的振幅分量上的编码为0，密钥中第m位密钥的平衡零差探测器测量结果的相位分量上的编码为0，则相干态为|α2>＝|αe5iπ/4>；
若密钥中第m位密钥的平衡零差探测器测量结果的振幅分量上的编码为1，密钥中第m位密钥的平衡零差探测器测量结果的相位分量上的编码为0，则相干态为|α3>＝|αe7iπ/4>；
其中，α为相干态系数。
为了验证本发明所提出的一种四态调制连续变量量子密钥分发数据协调方法，以及本发明提供的技术方案中基于***Polar码的逆向数据协调性能，现进行数值仿真。
图2为本发明一种四态调制连续变量量子密钥分发数据协调方法实现示意图，图3为本发明一种四态调制连续变量量子密钥分发数据协调方法在不同传输距离下的分布数结果图。本发明四态调制连续变量量子密钥分发仿真选择的实验参数为：相干态方差VA＝0.108，相干态系数α＝0.328，量子信道噪声ε＝0.005，透过率T＝10-aL/10，其中，信道衰减系数a＝0.2dB/km，L为传输距离，选择的样本数为10000；由图3可知：当传输距离为100km时，各数据的分布数没有在0左右，这意味着信道噪声对量子态的影响不大，Bob接收到的误码率很低，可直接通过信道编码对数据进行协调以使双方密钥一致。而当传输距离达到120km时，Bob接收到的信号就会有一些0附近的值，此时我们很难判断原来的值究竟是正还是负，这部分的误码率较高；当传输距离达到140km时，可以看出0附近的值更多了，Bob的误码也随之增多了。
下面我们将针对距离L＝120km、L＝140km的情况做分析：图4(a)和图4(b)分别为本发明一种四态调制连续变量量子密钥分发数据协调方法L为120km、140km时在不同放大倍数下的分布数结果图。结果表明：当信号衰减较大导致误码率增加时，后选择协议的应用有效的降低了幅值较小的密钥数的概率，且放大倍数越大，0附近的密钥被保留的概率就越小，协调的效果就越好。
图5为本发明提供的技术方案中基于***Polar码的逆向数据协调方法的示意图。仿真中假设Alice端发送的密钥为均值为0，方差为V＝1.328的一组数据，Bob端的密钥为Alice端的密钥经过一个高斯有噪信道接收到的。量子信道是服从均值为0，方差σ2＝0.005为的高斯分布函数。仿真中设密钥数据大小为1024，仿真中设置***Polar的码率R分别为0.4、0.5和0.6，研究不同码率下的协调效率，及不同放大倍数g下的协调效率。
图6为本发明提供的技术方案中基于***Polar码的逆向数据协调方法在不同码率下的误比特率变化曲线图。由图6可以看出，当码长一定时，随着信噪比SNR的增大，基于***Polar码的离散调制数据协调协议的误码率越来越低，纠错性能越来越好；而另一方面，当信噪比SNR相同时，基于码率为0.5***Polar码的误码率比使用码率为0.6的***Polar码的误码低一个数量级，基于码率为0.4的***Polar码的误码率也比码率为0.5的***Polar码的误码率也更低一个数量级。因此可以发现，Polar码的码率越低，基于***Polar码的纠错能力更强，其适用的信噪比更低。
本发明还提供一种四态调制连续变量量子密钥分发数据协调***，如图7所示，所述***用于发送端，包括：
调制单元，用于通过激光器将密钥调制到相干态的振幅分量和相位分量上，并通过量子信道将所述相干态发送至接收端；
第一判断单元，用于根据接收到的密钥与所述发送端自身原有的密钥的误码率判断所述量子信道是否安全，并将判断信息发送至接收端；
接收单元，用于接收来自接收端返回的密钥的冻结位信息；
第一获取单元，用于获取接收的冻结位信息在所述发送端自身原有的密钥上对应的密钥信息；
第二获取单元，用于将所述冻结位信息在所述发送端自身原有的密钥上对应的密钥信息密性放大，获取最终安全密钥。
所述接收到的密钥为所述接收端对所述相干态经过如下模块的相应处理后发送至所述发送端的密钥信息段：
第一获取模块，用于利用平衡零差探测器测量接收到的相干态，获取所述密钥中各位密钥的平衡零差探测器测量结果；
第一确定模块，用于根据所述密钥中各位密钥的平衡零差探测器测量结果获取所述相干态的归一化结果，并确定所述相干态的归一化结果的滤函数的值；
判断模块，用于根据所述相干态的归一化结果的滤函数的值判断是否保留所述密钥中各位密钥，若是，则保留该位密钥，并在该位密钥的位置标记冻结位信息；
发送模块，用于将保留的密钥中密钥信息段通过经典信道发送至发送端。
所述第一判断单元，用于：
若所述根据接收到的密钥与其自身原有的密钥的误码率大于误码率阈值，则判断信息为量子信道不安全；若所述根据接收到的密钥与其自身原有的密钥的误码率小于等于误码率阈值，则判断信息为量子信道安全。
所述第一获取单元，包括：
译码模块，用于接收***Polar码编码后的冻结位信息，再经***Polar码译码获取所述冻结位信息；
第二获取模块，用于获取所述冻结位信息在所述发送端自身原有的密钥上对应的密钥信息。
所述译码模块，用于：
若密钥中第m位密钥的平衡零差探测器测量结果的振幅分量上的编码为1，密钥中第m位密钥的平衡零差探测器测量结果的相位分量上的编码为1，则相干态为|α0>＝|αeiπ/4>；
若密钥中第m位密钥的平衡零差探测器测量结果的振幅分量上的编码为0，密钥中第m位密钥的平衡零差探测器测量结果的相位分量上的编码为1，则相干态为|α1>＝|αe3iπ/4>；
若密钥中第m位密钥的平衡零差探测器测量结果的振幅分量上的编码为0，密钥中第m位密钥的平衡零差探测器测量结果的相位分量上的编码为0，则相干态为|α2>＝|αe5iπ/4>；
若密钥中第m位密钥的平衡零差探测器测量结果的振幅分量上的编码为1，密钥中第m位密钥的平衡零差探测器测量结果的相位分量上的编码为0，则相干态为|α3>＝|αe7iπ/4>；
其中，α为相干态系数。
一种四态调制连续变量量子密钥分发数据协调***，如图2所示，所述***用于接收端，包括：
第三获取单元，用于利用平衡零差探测器测量接收到的相干态，获取所述密钥中各位密钥的平衡零差探测器测量结果；
第一确定单元，用于根据所述密钥中各位密钥的平衡零差探测器测量结果获取所述相干态的归一化结果，并确定所述相干态的归一化结果的滤函数的值；
第二判断单元，用于根据所述相干态的归一化结果的滤函数的值判断是否保留所述密钥中各位密钥，若是，则保留该位密钥，并在该位密钥的位置标记冻结位信息；
第一发送单元，用于将保留的密钥中密钥信息段通过经典信道发送至发送端；
第二发送单元，用于若接收的判断信息为量子信道安全，则将保留的密钥中除密钥信息段外的密钥信息的冻结位信息通过所述经典信道发送至发送端；
第四获取单元，用于将所述保留的密钥中除密钥信息段外的密钥信息密性放大，获取最终安全密钥。
所述第一确定单元，包括：
第二确定模块，用于按下式确定所述相干态的归一化结果v：
上式中，是所述密钥中各位密钥的平衡零差探测器测量结果，g是线性无噪放大器放大倍数。
所述第一确定单元，包括：
第三确定模块，用于按下式确定所述相干态的归一化结果的滤函数的值Pacc(v)：
其中， v是相干态归一化结果，是所述密钥中各位密钥的平衡零差探测器测量结果，g是线性无噪放大器放大倍数，Δ是自定义的中间值。
所述第二判断单元，用于：
若所述密钥中第m位密钥的滤函数值大于等于滤函数阈值，则保留所述第m位密钥，并在所述密钥中第m位密钥的位置标记冻结位信息，若所述密钥中第m位密钥的滤函数值小于滤函数阈值，则判断下一位密钥。
所述第二发送单元，包括：
编码模块，用于将保留的密钥中除密钥信息段外的密钥信息的冻结位信息经***Polar码编码后通过所述经典信道发送至发送端。
所述编码模块，用于：
若密钥中第m位密钥的平衡零差探测器测量结果的振幅分量或相位分量为正值，则编码为1；若密钥中第m位密钥的平衡零差探测器测量结果的振幅分量或相位分量为负值，则编码为0。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (22)
1.一种四态调制连续变量量子密钥分发数据协调方法，其特征在于，所述方法用于发送端，包括：
通过激光器将密钥调制到相干态的振幅分量和相位分量上，并通过量子信道将所述相干态发送至接收端；
根据接收到的密钥与所述发送端自身原有的密钥的误码率判断所述量子信道是否安全，并将判断信息发送至接收端；
接收来自接收端返回的密钥的冻结位信息；
获取接收的冻结位信息在所述发送端自身原有的密钥上对应的密钥信息；
将所述冻结位信息在所述发送端自身原有的密钥上对应的密钥信息密性放大，获取最终安全密钥。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述接收到的密钥为所述接收端对所述相干态进行如下处理后发送至所述发送端的密钥信息段：
利用平衡零差探测器测量接收到的相干态，获取所述密钥中各位密钥的平衡零差探测器测量结果；
根据所述密钥中各位密钥的平衡零差探测器测量结果获取所述相干态的归一化结果，并确定所述相干态的归一化结果的滤函数的值；
根据所述相干态的归一化结果的滤函数的值判断是否保留所述密钥中各位密钥，若是，则保留该位密钥，并在该位密钥的位置标记冻结位信息；
将保留的密钥中密钥信息段通过经典信道发送至发送端。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据接收到的密钥与所述发送端自身原有的密钥的误码率判断所述量子信道是否安全，包括：
若所述根据接收到的密钥与其自身原有的密钥的误码率大于误码率阈值，则判断信息为量子信道不安全；若所述根据接收到的密钥与其自身原有的密钥的误码率小于等于误码率阈值，则判断信息为量子信道安全。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取接收的冻结位信息在所述发送端自身原有的密钥上对应的密钥信息，包括：
接收***Polar码编码后的冻结位信息，再经***Polar码译码获取所述冻结位信息；
获取所述冻结位信息在所述发送端自身原有的密钥上对应的密钥信息。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述经***Polar码译码获取所述冻结位信息，
包括：
若密钥中第m位密钥的平衡零差探测器测量结果的振幅分量上的编码为1，密钥中第m位密钥的平衡零差探测器测量结果的相位分量上的编码为1，则相干态为|α0>＝|αeiπ/4>；
若密钥中第m位密钥的平衡零差探测器测量结果的振幅分量上的编码为0，密钥中第m位密钥的平衡零差探测器测量结果的相位分量上的编码为1，则相干态为|α1>＝|αe3iπ/4>；
若密钥中第m位密钥的平衡零差探测器测量结果的振幅分量上的编码为0，密钥中第m位密钥的平衡零差探测器测量结果的相位分量上的编码为0，则相干态为|α2>＝|αe5iπ/4>；
若密钥中第m位密钥的平衡零差探测器测量结果的振幅分量上的编码为1，密钥中第m位密钥的平衡零差探测器测量结果的相位分量上的编码为0，则相干态为|α3>＝|αe7iπ/4>；
其中，α为相干态系数。
6.一种四态调制连续变量量子密钥分发数据协调方法，其特征在于，所述方法用于接收端，包括：
利用平衡零差探测器测量接收到的相干态，获取所述密钥中各位密钥的平衡零差探测器测量结果；
根据所述密钥中各位密钥的平衡零差探测器测量结果获取所述相干态的归一化结果，并确定所述相干态的归一化结果的滤函数的值；
根据所述相干态的归一化结果的滤函数的值判断是否保留所述密钥中各位密钥，若是，则保留该位密钥，并在该位密钥的位置标记冻结位信息；
将保留的密钥中密钥信息段通过经典信道发送至发送端；
若接收的判断信息为量子信道安全，则将保留的密钥中除密钥信息段外的密钥信息的冻结位信息通过所述经典信道发送至发送端；
将所述保留的密钥中除密钥信息段外的密钥信息密性放大，获取最终安全密钥。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，按下式确定所述相干态的归一化结果v：
上式中，是所述密钥中各位密钥的平衡零差探测器测量结果，g是线性无噪放大器放大倍数。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，按下式确定所述相干态的归一化结果的滤函数的值Pacc(v)：
其中，v是相干态归一化结果，是所述密钥中各位密钥的平衡零差探测器测量结果，g是线性无噪放大器放大倍数，Δ是自定义的中间值。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述根据所述密钥中各位密钥的测量结果的滤函数的值判断是否保留所述密钥中各位密钥，包括：
若所述密钥中第m位密钥的滤函数值大于等于滤函数阈值，则保留所述第m位密钥，并在所述密钥中第m位密钥的位置标记冻结位信息，若所述密钥中第m位密钥的滤函数值小于滤函数阈值，则判断下一位密钥。
10.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述将保留的密钥中除密钥信息段外的密钥信息的冻结位信息通过所述经典信道发送至发送端，包括：
将保留的密钥中除密钥信息段外的密钥信息的冻结位信息经***Polar码编码后通过所述经典信道发送至发送端。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述***Polar码编码包括：
若密钥中第m位密钥的平衡零差探测器测量结果的振幅分量或相位分量为正值，则编码为1；若密钥中第m位密钥的平衡零差探测器测量结果的振幅分量或相位分量为负值，则编码为0。
12.一种四态调制连续变量量子密钥分发数据协调***，其特征在于，所述***用于发送端，包括：
调制单元，用于通过激光器将密钥调制到相干态的振幅分量和相位分量上，并通过量子信道将所述相干态发送至接收端；
第一判断单元，用于根据接收到的密钥与所述发送端自身原有的密钥的误码率判断所述量子信道是否安全，并将判断信息发送至接收端；
接收单元，用于接收来自接收端返回的密钥的冻结位信息；
第一获取单元，用于获取接收的冻结位信息在所述发送端自身原有的密钥上对应的密钥信息；
第二获取单元，用于将所述冻结位信息在所述发送端自身原有的密钥上对应的密钥信息密性放大，获取最终安全密钥。
13.如权利要求12所述的***，其特征在于，所述接收到的密钥为所述接收端对所述相干态经过如下模块处理后发送至所述发送端的密钥信息段：
第一获取模块，用于利用平衡零差探测器测量接收到的相干态，获取所述密钥中各位密钥的平衡零差探测器测量结果；
第一确定模块，用于根据所述密钥中各位密钥的平衡零差探测器测量结果获取所述相干态的归一化结果，并确定所述相干态的归一化结果的滤函数的值；
判断模块，用于根据所述相干态的归一化结果的滤函数的值判断是否保留所述密钥中各位密钥，若是，则保留该位密钥，并在该位密钥的位置标记冻结位信息；
发送模块，用于将保留的密钥中密钥信息段通过经典信道发送至发送端。
14.如权利要求12所述的***，其特征在于，所述第一判断单元，用于：
若所述根据接收到的密钥与其自身原有的密钥的误码率大于误码率阈值，则判断信息为量子信道不安全；若所述根据接收到的密钥与其自身原有的密钥的误码率小于等于误码率阈值，则判断信息为量子信道安全。
15.如权利要求12所述的***，其特征在于，所述第一获取单元，包括：
译码模块，用于接收***Polar码编码后的冻结位信息，再经***Polar码译码获取所述冻结位信息；
第二获取模块，用于获取所述冻结位信息在所述发送端自身原有的密钥上对应的密钥信息。
16.如权利要求15所述的***，其特征在于，所述译码模块，用于：
若密钥中第m位密钥的平衡零差探测器测量结果的振幅分量上的编码为1，密钥中第m位密钥的平衡零差探测器测量结果的相位分量上的编码为1，则相干态为|α0>＝|αeiπ/4>；
若密钥中第m位密钥的平衡零差探测器测量结果的振幅分量上的编码为0，密钥中第m位密钥的平衡零差探测器测量结果的相位分量上的编码为1，则相干态为|α1>＝|αe3iπ/4>；
若密钥中第m位密钥的平衡零差探测器测量结果的振幅分量上的编码为0，密钥中第m位密钥的平衡零差探测器测量结果的相位分量上的编码为0，则相干态为|α2>＝|αe5iπ/4>；
若密钥中第m位密钥的平衡零差探测器测量结果的振幅分量上的编码为1，密钥中第m位密钥的平衡零差探测器测量结果的相位分量上的编码为0，则相干态为|α3>＝|αe7iπ/4>；
其中，α为相干态系数。
17.一种四态调制连续变量量子密钥分发数据协调***，其特征在于，所述***用于接收端，包括：
第三获取单元，用于利用平衡零差探测器测量接收到的相干态，获取所述密钥中各位密钥的平衡零差探测器测量结果；
第一确定单元，用于根据所述密钥中各位密钥的平衡零差探测器测量结果获取所述相干态的归一化结果，并确定所述相干态的归一化结果的滤函数的值；
第二判断单元，用于根据所述相干态的归一化结果的滤函数的值判断是否保留所述密钥中各位密钥，若是，则保留该位密钥，并在该位密钥的位置标记冻结位信息；
第一发送单元，用于将保留的密钥中密钥信息段通过经典信道发送至发送端；
第二发送单元，用于若接收的判断信息为量子信道安全，则将保留的密钥中除密钥信息段外的密钥信息的冻结位信息通过所述经典信道发送至发送端；
第四获取单元，用于将所述保留的密钥中除密钥信息段外的密钥信息密性放大，获取最终安全密钥。
18.如权利要求17所述的***，其特征在于，所述第一确定单元，包括：
第二确定模块，用于按下式确定所述相干态的归一化结果v：
上式中，是所述密钥中各位密钥的平衡零差探测器测量结果，g是线性无噪放大器放大倍数。
19.如权利要求17所述的***，其特征在于，所述第一确定单元，包括：
第三确定模块，用于按下式确定所述相干态的归一化结果的滤函数的值Pacc(v)：
其中，v是相干态归一化结果，是所述密钥中各位密钥的平衡零差探测器测量结果，g是线性无噪放大器放大倍数，Δ是自定义的中间值。
20.如权利要求17所述的***，其特征在于，所述第二判断单元，用于：
若所述密钥中第m位密钥的滤函数值大于等于滤函数阈值，则保留所述第m位密钥，并在所述密钥中第m位密钥的位置标记冻结位信息，若所述密钥中第m位密钥的滤函数值小于滤函数阈值，则判断下一位密钥。
21.如权利要求17所述的***，其特征在于，所述第二发送单元，包括：
编码模块，用于将保留的密钥中除密钥信息段外的密钥信息的冻结位信息经***Polar码编码后通过所述经典信道发送至发送端。
22.如权利要求21所述的***，其特征在于，所述编码模块，用于：
若密钥中第m位密钥的平衡零差探测器测量结果的振幅分量或相位分量为正值，则编码为1；若密钥中第m位密钥的平衡零差探测器测量结果的振幅分量或相位分量为负值，则编码为0。
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