CN110808828B - 一种用于量子密钥分发的多矩阵自适应译码装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于量子密钥分发的多矩阵自适应译码装置及方法，发送端包括依次连接的信号发送模块A、数据后处理模块A和密钥存储模块A，接收端包括依次连接的信号探测模块B、数据后处理模块B和密钥存储模块B；所述信号发送模块A同时将信号发送给信号探测模块B；所述数据后处理模块A和数据后处理模块B相互进行信息交互并各自进行数据处理，得到密钥，发送给各自的密钥存储模块进行保存。本发明可以依据通信数据的实时信噪比选择最优的纠错矩阵，并结合纠错矩阵的既定协调效率计算自适应译码的参数，同时保障了纠错成功率和协调效率；本发明可以有效保证数据信噪比发生变化时CVQKD***的性能，提升***的鲁棒性和自动化水平。

Description

一种用于量子密钥分发的多矩阵自适应译码装置及方法
技术领域
本发明涉及一种用于量子密钥分发的多矩阵自适应译码装置及方法。
背景技术
随着量子计算技术的发展，基于计算复杂度的经典密码体系面临重大的安全隐患。量子密钥分发(Quantum Key Distribution，QKD)是一种基于量子物理原理的密钥分发***，具有无条件安全性，引起了广泛的关注与研究。连续变量量子密钥分发(ContinuousVariable Quantum Key Distribution,CV-QKD)采用光场的正则分量作为信息的载体，大部分器件与经典相干光通信通用，与传统光通信网络兼容性好，是一种有极大发展前景的量子密钥分发技术。
对于CV-QKD***，微弱量子信号经过长距离光纤传输后，信噪比非常低，导致密钥分发的发送方和接收方的原始数据误码率非常高。为了实现接收方与发送方共享相同的密钥，需要通过数据后处理进行数据协商。
数据后处理中一个重要步骤是数据纠错。纠错矩阵的码率选择需要和信号的信噪比相匹配。如果纠错矩阵的码率过高，可能导致无法完成数据纠错，使得本次量子密钥分发过程无法生成安全密钥。如果纠错矩阵的码率过低，导致纠错效率低，虽然可以完成了数据纠错，但是在信息论的角度，量子密钥分发的双方的安全密钥率非常低甚至没有安全密钥。
在实际的量子密钥分发过程中，由于光纤链路变化，发送端和接收端器件的变化，导致数据链路的信噪比随时间发生变化。常规的方案是采用打孔删余等方案对纠错矩阵进行修改，以适应信噪比的变化。然而，对于连续变量量子密钥分发***，纠错难度非常大，一方面，基于删余缩短的方案的适用范围有限，另一方面，基于打孔删余的方案会带来误帧率的提高。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供了一种用于量子密钥分发的多矩阵自适应译码装置及方法，可以依据通信数据的实时信噪比选择最优的纠错矩阵，并结合纠错矩阵的既定协调效率计算自适应译码的参数，同时保障了纠错成功率和协调效率；本发明可以有效保证数据信噪比发生变化时CVQKD***的性能，提升***的鲁棒性和自动化水平。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于量子密钥分发的多矩阵自适应译码装置，发送端包括依次连接的信号发送模块A、数据后处理模块A和密钥存储模块A，接收端包括依次连接的信号探测模块B、数据后处理模块B和密钥存储模块B；所述信号发送模块A同时将信号发送给信号探测模块B；所述数据后处理模块A和数据后处理模块B相互进行信息交互并各自进行数据处理，得到密钥，发送给各自的密钥存储模块进行保存。
本发明还提供了一种用于量子密钥分发的多矩阵自适应译码方法，包括如下步骤：
步骤一、发送端和接收端分别通过各自的基比对筛选单元获得测量基相同的那部分数据，并传递给各自的参数估计单元；
步骤二、接收端从测量基相同的那部分数据中选出用以进行参数估计的数据C’发送给发送端的参数估计单元；
步骤三、发送端的参数估计单元A将得到的参数估计值分别发送给安全码率计算单元A和纠错矩阵确定单元，纠错矩阵确定单元将最终纠错矩阵传递给译码计算单元A，并将纠错矩阵信息A发送给接收端；参数估计单元A将需要进行离散数据处理的数据发送给离散数据处理单元A，利用离散化协商信息AB得到离散化后的数据发送给译码计算单元A；安全码率计算单元A根据最终纠错矩阵的码率以及参数估计的结果计算得到安全码率估计值，作为压缩因子传递给私钥密性放大单元A，并发送给接收端；
步骤四、接收端的参数估计单元接收来自发送端的纠错矩阵信息A、安全码率估计值A以及参数估计数据选择信息A，然后分别将纠错矩阵信息A传递给校验子计算单元B，将安全码率估计值A传递给私钥密性放大单元B；参数估计单元B将需要进行离散数据处理的数据发送给离散数据处理单元B，利用离散化协商信息AB得到离散化后的数据分别发送给校验子计算单元B和密钥重组单元B；
步骤五、发送端和接收端的密钥重组单元不断累积译码成功的数据，按照相同的规则对数据进行重组，累积到事先设定的数据量时，各自将本单元的数据传递给各自的私钥密性放大单元；
步骤六、发送端和接收端的私钥密性放大单元根据获得的安全码率，对密钥重组单元传递过来的数据进行压缩，得到安全密钥。
与现有技术相比，本发明的积极效果是：
本发明可以解决连续变量量子密钥分发***纠错矩阵与信噪比适配的问题，从而提高连续变量量子密钥分发***的信噪比适用范围，提高***稳定运行的能力。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1为本发明的总***框图；
图2为发送端数据处理模块A示意图；
图3为接收端数据处理模块B示意图；
图4为矩阵选择示意图。
具体实施方式
如图1所示，对于连续变量量子密钥分发***，发送端通过信号发送模块A将信号发送给接收端，同时将发送的信息传递给数据处理模块A。接收端通过信号探测模块B接收从发送端发送过来的信号，并将其传递给数据处理模块B。数据处理模块A将信号发送模块A传递过来的数据以及通过与接收端进行信息交互获得的信息进行数据处理，得到密钥，保存在密钥存储模块A中。数据处理模块B将信号探测模块B传递过来的数据以及通过与发送端进行信息交互获得的信息进行数据处理，得到密钥，保存在密钥存储模块B中。
如图2和图3所示，对于数据处理模块，发送端和接收端首先通过基比对筛选单元，获得测量基相同的那部分数据，将其传递给各自的参数估计单元。
执行参数估计的计算过程可以在发送端，也可以在接收端，以下，以发送端进行参数估计为例进行介绍。本发明对接收端进行参数估计的方案也进行保护。
根据约定，接收端从测量基相同的那部分数据中选出用以进行参数估计的数据C’发送给发送端。
发送端的参数估计单元利用接收端发送过来的数据C’和与这部分数据对应的数据进行参数估计。得到的参数估计值一方面发送给安全码率计算单元A，另一方面根据得到的信噪比数据进行纠错矩阵选择。纠错矩阵的选择分为两个步骤。如图4所示，第一步，根据实时SNR，从所有纠错矩阵中选择最优纠错矩阵Hi，满足
Figure BDA0002216085040000041
其中矩阵Hi在其对应的标准信噪比SNRi下的协调效率为βi，
Figure BDA0002216085040000042
是矩阵Hi可实现自适应纠错的信噪比范围，即当通信数据的实时SNR在这个范围内时，通过自适应译码算法可以基于矩阵Hi对通信数据进行纠错且保证协调效率稳定为βi；第二步，根据信噪比的具体数值，基于基本纠错矩阵，采用删余或者缩短的方法进行细致的调节(当采用删余方法时，则计算删余位数p，并将码字中随机***删余位的位置记录为{up}；当采用缩短方法时，则计算缩短位数s，并将码字中随机***缩短位的位置和值分别记录为{us}和{vs}，具体细节见后面)，获得本次纠错所需的最终纠错矩阵，将最终纠错矩阵传递给译码计算单元，并将纠错矩阵信息A(包括基本纠错矩阵选择信息和删余缩短信息(采用删余时为{up}，采用缩短时为{us}和{vs}))发送给接收端。安全码率计算单元A根据最终纠错矩阵的码率以及参数估计的结果计算得到安全码率估计值，作为压缩因子传递给私钥密性放大单元，并发送给接收端。
接收端的参数估计单元接收来自发送端的纠错矩阵信息A、安全码率估计值A以及参数估计数据选择信息A，分别将纠错矩阵信息A传递给校验子计算单元，将安全码率估计值A传递给私钥密性放大单元。
对于离散数据处理单元，发送端和接收端分别将用以参数估计的数据从基比对筛选单元获得的数据中去掉，得到需要进行离散数据处理的数据。通过利用离散化协商信息AB，分别得到离散化后的数据。
对于纠错译码部分，接收端根据纠错矩阵信息A得到用以译码计算的纠错矩阵H。在校验子计算单元B，将纠错矩阵H和离散化数据相乘，得到校验子SPC。将校验子SPC发送给发送端。发送端利用纠错矩阵H、校验子SPC和离散化后的数据进行译码计算。如果译码成功，并将译码结果数据A发送给接收方，并将译码后的数据传递给密钥重组单元A；如果译码失败，将译码结果数据A发送给接收方，并告知密钥重组单元A本轮译码失败。接收方根据译码结果数据A，如果译码结果数据A为成功，则将数据离散处理单元B得到的离散数据传递给密钥重组单元B，如果译码结果数据A为失败，则告知数据离散处理单元B本轮译码失败。
对于密钥重组单元。发送端和接收端不断累积译码成功的数据，按照相同的规则对数据进行重组，累积到事先设定的数据量时，各自将本单元的数据传递给各自的私钥密性放大单元。
对于私钥密性放大单元。发送端和接收端根据前面介绍中获得的安全码率，对密钥重组单元传递过来的数据进行压缩，得到安全密钥。
删余和缩短详细步骤如下：
发送端根据当前通信数据的实时SNR，结合最优纠错矩阵Hi的标准信噪比SNRi，判定本次纠错所采用的自适应译码方法：
(1)当SNR＞SNRi时，本次纠错采用删余方法；
(2)当SNR＜SNRi时，本次纠错采用缩短方法。
发送端结合当前通信数据的实时SNR和最优纠错矩阵Hi的既定协调效率βi，计算本次自适应译码的相关参数，详细计算如下：
(1)当采用删余方法时，根据
Figure BDA0002216085040000061
计算出删余位的长度p，并将码字中随机***删余位的位置记录为{up}；
(2)当采用缩短方法时，根据
Figure BDA0002216085040000062
计算出缩短位的长度s，并将码字中随机***缩短位的位置和值分别记录为{us}和{vs}。
其中m和n分别为纠错矩阵Hi的行、列数。
当采用删余方法时，发送端将实时SNR值和{up}发送给接收端；
当采用缩短方法时，发送端将实时SNR值和{us}、{vs}发送给接收端。

Claims (7)

1.一种用于量子密钥分发的多矩阵自适应译码方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、发送端和接收端分别通过各自的基比对筛选单元获得测量基相同的那部分数据，并传递给各自的参数估计单元；
步骤二、接收端从测量基相同的那部分数据中选出用以进行参数估计的数据C’发送给发送端的参数估计单元A；
步骤三、发送端的参数估计单元A将得到的参数估计值分别发送给安全码率计算单元A和纠错矩阵确定单元，纠错矩阵确定单元将最终纠错矩阵传递给译码计算单元A，并将纠错矩阵信息A发送给接收端；参数估计单元A将需要进行离散数据处理的数据发送给离散数据处理单元A，利用离散化协商信息AB得到离散化后的数据发送给译码计算单元A；安全码率计算单元A根据最终纠错矩阵的码率以及参数估计的结果计算得到安全码率估计值，作为压缩因子传递给私钥密性放大单元A，并发送给接收端；其中：
所述最终纠错矩阵的确定方法为：
第一步，根据实时SNR，从所有纠错矩阵中选择最优纠错矩阵Hi，满足
Figure FDA0003398004670000011
第二步，根据信噪比的具体数值，基于基本纠错矩阵，采用删余或者缩短的方法进行细调，获得本次纠错所需的最终纠错矩阵；其中，对基本纠错矩阵进行细调的方法为：
(1)判定是否满足SNR>SNRi，若是，则进入(2)，否则进入(5)；
(2)本次纠错采用删余方法；
(3)按如下公式计算出删余位的长度p，并将码字中随机***删余位的位置记录为{up}：
Figure FDA0003398004670000021
其中：m和n分别为纠错矩阵Hi的行、列数，βi为纠错矩阵Hi的既定协调效率；
(4)发送端将实时SNR值和{up}发送给接收端，然后进入(8)；
(5)本次纠错采用缩短方法；
(6)按如下公式计算出缩短位的长度s，并将码字中随机***缩短位的位置和值分别记录为{us}和{vs}：
Figure FDA0003398004670000022
(7)发送端将实时SNR值和{us}、{vs}发送给接收端；
(8)细调结束；
步骤四、接收端的参数估计单元B接收来自发送端的纠错矩阵信息A、安全码率估计值A以及参数估计数据选择信息A，然后分别将纠错矩阵信息A传递给校验子计算单元B，将安全码率估计值A传递给私钥密性放大单元B；参数估计单元B将需要进行离散数据处理的数据发送给离散数据处理单元B，利用离散化协商信息AB得到离散化后的数据分别发送给校验子计算单元B和密钥重组单元B；
步骤五、发送端和接收端的密钥重组单元不断累积译码成功的数据，按照相同的规则对数据进行重组，累积到事先设定的数据量时，各自将本单元的数据传递给各自的私钥密性放大单元；
步骤六、发送端和接收端的私钥密性放大单元根据获得的安全码率，对密钥重组单元传递过来的数据进行压缩，得到安全密钥。
2.根据权利要求1所述的一种用于量子密钥分发的多矩阵自适应译码方法，其特征在于：所述校验子计算单元B用于将最终纠错矩阵H和离散化数据相乘，得到校验子SPC，并将校验子SPC发送给发送端的译码计算单元A；译码计算单元A利用最终纠错矩阵H、校验子SPC和离散化后的数据进行译码计算：如果译码成功，则将译码结果数据A发送给接收方，并将译码后的数据传递给密钥重组单元A；如果译码失败，则将译码结果数据A发送给接收方，并告知密钥重组单元A本轮译码失败；接收方根据译码结果数据A，如果译码结果数据A为成功，则将数据离散处理单元B得到的离散数据传递给密钥重组单元B，如果译码结果数据A为失败，则告知数据离散处理单元B本轮译码失败。
3.一种用于权利要求1或2所述的量子密钥分发的多矩阵自适应译码方法的装置，其特征在于：发送端包括依次连接的信号发送模块A、数据后处理模块A和密钥存储模块A，接收端包括依次连接的信号探测模块B、数据后处理模块B和密钥存储模块B；所述信号发送模块A同时将信号发送给信号探测模块B；所述数据后处理模块A和数据后处理模块B相互进行信息交互并各自进行数据处理，得到密钥，发送给各自的密钥存储模块进行保存。
4.根据权利要求3所述的用于量子密钥分发的多矩阵自适应译码方法的装置，其特征在于：所述发送端的数据后处理模块A包括依次连接的基比对筛选单元A、参数估计单元A、离散数据处理单元A、译码计算单元A、密钥重组单元A和私钥密性放大单元A；所述参数估计单元A分别与纠错矩阵确定单元和安全码率计算单元A连接；所述纠错矩阵确定单元和译码计算单元A连接。
5.根据权利要求4所述的用于量子密钥分发的多矩阵自适应译码方法的装置，其特征在于：所述纠错矩阵确定单元包括基本纠错矩阵选择单元和纠错矩阵细调单元。
6.根据权利要求3所述的用于量子密钥分发的多矩阵自适应译码方法的装置，其特征在于：所述接收端的数据后处理模块B包括依次连接的基比对筛选单元B、参数估计单元B、离散数据处理单元B、密钥重组单元B和私钥密性放大单元B；所述参数估计单元B分别与纠错矩阵确定单元和私钥密性放大单元B连接；所述纠错矩阵确定单元和离散数据处理单元B均与校验子计算单元B连接。
7.根据权利要求6所述的一种用于量子密钥分发的多矩阵自适应译码装置，其特征在于：所述纠错矩阵确定单元包括基本纠错矩阵选择单元和纠错矩阵细调单元。
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