CN113179160A - 一种适用于qkd中私钥放大的最优输入码长处理方法及单元 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适用于QKD中私钥放大的最优输入码长处理方法，接收误码纠错后的数据，根据私钥放大的压缩比计算接收到数据的处理码长，并判断处理码长度是否为2的幂，若是，则直接输出接收到的数据进行私钥放大；若不是，则对接收到的数据进行处理，输出最优码长至私钥放大，使得私钥放大的处理码长为2的幂。本发明通过在误码纠错和私钥放大过程之间增加一个最优输入码长处理过程，在不损坏原输入的情况下，使得私钥放大的处理码长为2的幂，一方面大幅度提升了私钥放大的性能，另一方面也保障了整个***的性能。

Description

一种适用于QKD中私钥放大的最优输入码长处理方法及单元

技术领域

本发明涉及量子通信领域，特别涉及一种适用于QKD中私钥放大的最优输入码长处理方法及单元。

背景技术

随着量子物理和量子信息论的发展，一种具有信息论可证安全性的通信方式——量子保密通信随之成为目前的研究热点。其中，量子密钥分发(Quantum KeyDistribution,QKD)技术可以为异地通信双方实时产生并分发一组具有信息可证安全性的密钥，再结合“一次一密”或AES等对称加密即可保证通信的安全性。QKD主要包括离散变量和连续变量两大技术途径，其中连续变量量子密钥分发(Continuous Variable QuantumKey Distribution,CV-QKD)采用光场的正交分量作为信息的载体，中短传输距离内安全码率高，且可与传统光通信的大部分器件通用，具有较好的发展前景。

QKD***包括量子信息的产生、传输和数据后处理，其整体框图如图1所示。A端首先通过量子信道向B端发送量子信号，B端对信号进行探测接收。通过经典信道上的数据后处理过程，A和B得到一致的安全密钥，最后分别将其输出到各自的密钥应用服务模块，进行后续的密钥存储、信息加密等。

其中，数据后处理是获取安全密钥必不可少的一部分，极大地影响***整体的安全性和密钥生成速率。数据后处理的流程图如图2所示，主要包括基比对、参数估计、误码纠错和私钥放大等几个步骤：首先B端将探测信号时采用的测量基数据通过经典信道发送给A，A接收该数据后选出一致的正交分量，基比对完成后A和B分别得到了原始密钥；然后A和B需要从原始密钥中随机选出部分数据来进行参数估计，从而计算出密钥分发过程中的部分关键参数，并判断是否继续此次通信；除去做参数估计的剩余数据进行误码纠错，完成纠错过程后A和B得到了理论上一致的原始随机数，通常称为原始密钥，但是原始密钥不能直接用于信息传输的加密，因为其中可能包含被窃听者掌握的部分；而私钥放大的作用是将误码纠错后得到的一组一致但不安全的原始密钥进行压缩，以去除其中被窃听者获取的部分，从而使密钥的安全性得以保障。

在实际的QKD***实现中，有限码长效应是一个不得不考虑的因素。假设x和y分别是A和B测量后的密钥，E为窃听者Eve的量子态，考虑有限码长效应时的最终密钥率为：

其中N为原始密钥的总长度，n为总数据量减去参数估计中公开的数据量；β是协调效率；I(x:y)是A和B间的香农信息熵；

是有限码长效应下B和E间的互信息量上界；Δ(n)为私钥放大中有限码长效应在安全性上的影响，其表达式为：

其中dimΗ_x表示密钥x的Hilbert空间维度；

为平滑参数；ε_PA表示私钥放大失败的可能性；n为私钥放大输入的长度。

对上述公式进行分析后不难发现，为了减少有限码长效应的影响，私钥放大的输入码长应该足够长，例如50km光纤信道下的CV-QKD***，要求进行私钥放大的数据长度要求至少为10⁸。但在私钥放大的实现过程中，面临计算资源有限的问题，而且大量的数据处理会导致性能降低，从而影响整个***的性能。在这种情况下，私钥放大的处理效率尤为重要。

目前已有的私钥放大的实现方案多是基于FFT完成，但在实现过程中忽略了数据处理长度对其性能的影响。本发明提出一种基于FFT优化的私钥放大处理方式，可以很大程度上提高FFT的性能，进而提升私钥放大的处理性能。同时，为保证私钥放大的高效处理，在误码纠错与私钥放大之间增加一个最优输入码长处理单元，从而提高QKD***的整体性能。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，提供了一种适用于量子密钥分发***中私钥放大的最优输入码长处理方法及单元，针对现有私钥放大处理方法中未考虑数据处理长度对性能影响的问题，对私钥放大的输入码长进行了最优化处理，使得私钥放大在对应的输入码长下可以获得优异性能，从而保障QKD***的高性能实现。

本发明采用的技术方案如下：一种适用于QKD中私钥放大的最优输入码长处理方法，接收误码纠错后的数据，根据私钥放大的压缩比计算接收到数据的处理码长，并判断处理码长是否为2的幂，若是，则直接输出接收到的数据进行私钥放大；若不是，则对接收到的数据进行处理，输出最优码长至私钥放大，使得私钥放大的处理码长为2的幂。

进一步的，所述最优输入码长处理方法具体包括以下过程：

S1、接收误码纠错后的数据；

S2、判断该数据的数据量S是否大于等于考虑有限码长效应时要求的私钥放大最小输入码长W，若是则进入S3；否则放弃本次数据处理，返回S1继续接收误码纠错后的数据，并与下一次接收的数据进行合并；

S3、根据私钥放大的压缩比R计算，私钥放大的处理码长L，当存在几组压缩比不同的数据时，选择其中较小的压缩比作为最终的压缩比；

S4、判断处理码长L是否为2的幂，若是则将数据量大小为S的数据作为私钥放大的输入，否则进入S5；

S5、计算变量i的值使得2ⁱ<L<2ⁱ⁺¹，并将私钥放大的处理码长设为2ⁱ，计算对应私钥放大的输入码长S'，并判断S'是否大于等于W，若是则选取接收的数据中前S'个数据作为私钥放大的最优输入；否则放弃此次数据处理，返回S1继续接收误码纠错后的数据，并与下一次接收的数据进行合并。

进一步的，所述S3中处理码长计算过程为：处理码长L＝S+S*R-1，其中S为接收的进行此次处理数据量，R为私钥放大的压缩比。

进一步的，所述S5中输入码长S'计算过程为：输入码长S'＝(2ⁱ+1)/(R+1)。

本发明还提供了一种适用于QKD中私钥放大的最优输入码长处理单元，包括数据输入缓存模块、有限码长效应判断模块、最优码长确定模块、数据输出模块；

数据输入缓存模块，用于接收并缓存误码纠错之后的数据；

有限码长效应判断模块，判断数据输入缓存模块中的数据量是否大于等于考虑有限码长效应时要求的私钥放大最小输入码长，是则，将数据输入至最优码长确认模块，否则等待数据输入缓存模块继续接收数据；

最优码长确定模块，根据私钥放大的压缩比R计算，私钥放大的处理码长L；判断处理码长L是否为2的幂，若是则将数据量大小为S的数据输入至数据输出模块；否则计算变量i的值使得2ⁱ<L<2ⁱ⁺¹，并将私钥放大的处理码长设为2ⁱ，计算对应私钥放大的输入码长S'，并判断S'是否大于等于W，若是则选取接收的数据中前S'个数据输入至数据输出模块；否则放弃此次数据处理，等待数据输入缓存模块继续接收数据；

数据输出模块，接收最优码长确定模块输出的数据并将接收的数据输出用于私钥放大。

与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：本发明通过在误码纠错和私钥放大之间增加一个最优输入码长处理，在不损坏原输入的情况下，使得私钥放大模块的处理码长为2的幂，一方面大幅度提升了私钥放大模块的性能，另一方面也保障了整个QKD***的性能。

附图说明

图1为现有技术中量子密钥分发***示意图。

图2为现有技术中量子密钥分发流程示意图。

图3为现有技术中私钥放大过程示意图。

图4为本发明提出的最优输入码长处理单元示意图。

图5为本发明提出的最优输入码长处理流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

常用的私钥放大的实现方案采用FFT进行加速，其过程描述如图3所示。当私钥放大的输入码长为S，压缩比为R，则其输出码长为S*R。采用FFT算法对其实现过程进行加速时，进行FFT的码长为L＝S+S*R-1，将其定义为私钥放大的处理码长。由FFT的原理可知，在私钥放大的实现过程中将处理码长设置为2ⁿ时，可以获得优异的性能。

但从现有的QKD的***实现框图中不难发现，每个子单元之间具有相应的数据依赖性，如私钥放大的输入数据量即误码纠错的输出数据量。一般来说，误码纠错输出的数据长度大小不一定满足条件使得私钥放大的处理码长为2ⁿ，这种情况下的私钥放大性能会大幅度降低。因此有必要在误码纠错与私钥放大之间增加一个最优码长处理单元，如图4所示，使私钥放大的处理码长为2的幂，从而实现高效处理。

基于此，本发明针对私钥放大与误码纠错两个子单元之间的数据量的对应关系进行相应的调整，使得误码纠错输出的数据量经过该单元后，私钥放大具有最优输入码长，从而获得优异性能。

实施例1

一种适用于QKD中私钥放大的最优输入码长处理方法，接收误码纠错后的数据，根据私钥放大的压缩比计算接收到数据的处理码长，并判断处理码长度是否为2的幂，若是，则直接输出接收到的数据进行私钥放大；若不是，则对接收到的数据进行处理，输出最优码长至私钥放大，使得私钥放大的处理码长为2的幂。

具体的，如图5所示，所述最优输入码长处理方法过程为：

S1、接收误码纠错后的数据；

S2、判断该数据的数据量S是否大于等于考虑有限码长效应时要求的私钥放大最小输入码长W，若是则进入S3；否则放弃本次数据处理，返回S1继续接收误码纠错后的数据，并与下一次接收的数据进行合并；

S3、根据私钥放大的压缩比R计算，私钥放大的处理码长L，当存在几组压缩比不同的数据时，选择其中较小的压缩比作为最终的压缩比；

S4、判断处理码长L是否为2的幂，若是则将数据量大小为S的数据作为私钥放大的输入，否则进入S5；

S5、计算变量i的值使得2ⁱ<L<2ⁱ⁺¹，并将私钥放大的处理码长设为2ⁱ，计算对应私钥放大的输入码长S'，并判断S'是否大于等于W，若是则选取接收的数据中前S'个数据作为私钥放大的最优输入；否则放弃此次数据处理，返回S1继续接收误码纠错后的数据，并与下一次接收的数据进行合并。

在一个优选实施例中，所述S3中处理码长计算过程为：处理码长L＝S+S*R-1，其中S为接收的进行此次处理数据量，R为私钥放大的压缩比。

在一个优选实施例中，所述S5中输入码长S'计算过程为：输入码长S'＝(2ⁱ+1)/(R+1)。

在本实施例中，还提供了该方法的数值验证：

假设经过数据输入缓存模块后的数据量S大小为128Mbits，50km光纤信道下的CV-QKD***结合有限码长效应可知私钥放大的输入码长至少为W＝100M bits。当压缩比为R＝0.1时，其输出码长为S*R，采用FFT算法对基于Toeplitz矩阵的私钥放大加速时，可以算得进行FFT的码长为L＝S+S*R-1＝140799999，不满足最优处理码长，因此寻找一个最接近L的数据为2ⁱ＝134217728作为私钥放大的处理码长，使其获得最佳性能，则对应私钥放大的最优输入码长为S'＝(2ⁱ+1)/(R+1)＝122016117，即在数据输入缓存模块中(此时数据量大小为S＝128Mbits)选择前S'个数据作为私钥放大的输入，剩余数据仍处于缓存模块中，等待下一次数据输入缓存并进行合并，再进行下一轮的数据处理。经实验验证，当输入码长分别为128Mbits和122016117bits时，私钥放大的执行速度分别为0.976Gbps、2.02G bps，由此可见当私钥放大的处理码长满足2ⁿ时，其性能将得到大幅度提升。

实施例2

如图4所示，本发明还提供了一种适用于QKD***中私钥放大的最优输入码长处理单元，包括数据输入缓存模块、有限码长效应判断模块、最优码长确定模块、数据输出模块；

数据输入缓存模块，用于接收并缓存误码纠错之后的数据；

有限码长效应判断模块，判断数据输入缓存模块中的数据量是否大于等于考虑有限码长效应时要求的私钥放大最小输入码长，是则，将数据输入至最优码长确认模块，否则等待数据输入缓存模块继续接收数据；

最优码长确定模块，根据私钥放大的压缩比R计算，私钥放大的处理码长L；判断处理码长L是否为2的幂，若是则将数据量大小为S的数据输入至数据输出模块；否则计算变量i的值使得2ⁱ<L<2ⁱ⁺¹，并将私钥放大的处理码长设为2ⁱ，计算对应私钥放大的输入码长S'，并判断S'是否大于等于W，若是则选取接收的数据中前S'个数据输入至数据输出模块；否则放弃此次数据处理，等待数据输入缓存模块继续接收数据；

数据输出模块，接收最优码长确定模块输出的数据并将接收的数据输出用于私钥放大。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

Claims (5)

1.一种适用于QKD中私钥放大的最优输入码长处理方法，其特征在于，接收误码纠错后的数据，根据私钥放大的压缩比计算接收到数据的处理码长，并判断处理码长是否为2的幂，若是，则直接输出接收到的数据进行私钥放大；若不是，则对接收到的数据进行处理，输出最优码长至私钥放大，使得私钥放大的处理码长为2的幂。

2.根据权利要求1所述的适用于QKD中私钥放大的最优输入码长处理方法，其特征在于，所述最优输入码长处理方法具体包括以下过程：

S1、接收误码纠错后的数据；

S2、判断该数据的数据量S是否大于等于有限码长效应要求的私钥放大最小输入码长W，若是则进入S3；否则放弃本次数据处理，返回S1继续接收误码纠错后的数据，并与下一次接收的数据进行合并；

S3、根据私钥放大的压缩比R计算，私钥放大的处理码长L，当存在几组压缩比不同的数据时，选择其中较小的压缩比作为最终的压缩比；

S4、判断处理码长L是否为2的幂，若是则将数据量大小为S的数据作为私钥放大的输入，否则进入S5；

S5、计算变量i的值使得2ⁱ<L<2ⁱ⁺¹，并将私钥放大的处理码长设为2ⁱ，计算对应私钥放大的输入码长S'，并判断S'是否大于等于W，若是则选取接收的数据中前S'个数据作为私钥放大的最优输入；否则放弃此次数据处理，返回S1继续接收误码纠错后的数据，并与下一次接收的数据进行合并。

3.根据权利要求2所述的适用于QKD中私钥放大的最优输入码长处理方法，其特征在于，所述S3中处理码长计算过程为：处理码长L＝S+S*R-1，其中S为接收的进行此次处理数据量，R为私钥放大的压缩比。

4.根据权利要求3所述的适用于QKD中私钥放大的最优输入码长处理方法，其特征在于，所述S5中输入码长S'计算过程为：输入码长S'＝(2ⁱ+1)/(R+1)。

5.一种适用于QKD中私钥放大的最优输入码长处理单元，其特征在于，包括数据输入缓存模块、有限码长效应判断模块、最优码长确定模块、数据输出模块；

数据输入缓存模块，用于接收并缓存误码纠错之后的数据；

有限码长效应判断模块，判断数据输入缓存模块中的数据量是否大于等于有限码长效应时要求的私钥放大最小输入码长，是则，将数据输入至最优码长确认模块，否则等待数据输入缓存模块继续接收数据；

最优码长确定模块，根据私钥放大的压缩比R计算，私钥放大的处理码长L；判断处理码长L是否为2的幂，若是则将数据量大小为S的数据输入至数据输出模块；否则计算变量i的值使得2ⁱ<L<2ⁱ⁺¹，并将私钥放大的处理码长设为2ⁱ，计算对应私钥放大的输入码长S'，并判断S'是否大于等于W，若是则选取接收的数据中前S'个数据输入至数据输出模块；否则放弃此次数据处理，等待数据输入缓存模块继续接收数据；

数据输出模块，接收最优码长确定模块输出的数据并将接收的数据输出用于私钥放大。

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