基于无噪线性放大器的连续变量测量设备无关量子密钥分发方法

1.本发明属于量子保密通信技术领域，具体涉及一种基于无噪线性放大器的连续变量测量设备无关量子密钥分发方法。


背景技术：

2.随着光电技术的发展，量子理论的许多物理现象已经通过观察得到验证，吸引了越来越多的研究人员进一步考虑其应用。量子密钥分发(qkd)是一种基于量子理论的应用，其允许合法通信方(alice和bob)在存在窃听的情况下通过量子信道交换加密密钥。
3.基于海森堡不确定性原理和不可克隆理论定律，量子密钥分发具有理论无条件安全性。目前连续变量量子密钥分发(cvqkd)技术成为了量子保密通信技术的一个重要分支，其中应用最广泛的是高斯调制相干态连续变量量子密钥分发协议，其理论无条件安全性已被证明，已经朝着产业化的方向迈进。
4.但是，理论的完美假设与实际实现会存在一定的偏差，这将可能会影响系统的性能并给实际系统中引入漏洞，窃听者eve可以利用该漏洞窃听信息而不被发现。系统漏洞涉及如激光源、本振光和检测器等，从而使得系统在运行过程中不再安全，窃听者可以进行截取重发攻击获得密钥信息。为了防御实际安全性漏洞问题，目前，有研究者提出了一种连续变量测量设备无关量子密钥分发系统(continuous variable measurement device independent quantum key distribution，cv-mdi-qkd)，该系统可以抵御所有的边信道攻击。并对该系统在理论上进行了很好的分析，但由于系统实际可以使用的器件及信道的过噪声等问题，系统性能仍旧存在一定的局限性。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的缺陷或不足，为了提升cv-mdi-qkd系统的性能，本发明的目的在于，提供一种基于无噪线性放大器的连续变量测量设备无关量子密钥分发方法。
6.为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：
7.一种基于无噪线性放大器的连续变量测量设备无关量子密钥分发方法，其特征在于，该方法在cv-mdi-qkd系统的不可信的第三方charlie端加上无噪线性放大器(noiseless linear amplifier，nla)，并执行如下步骤：
8.首先，合法通信方alice和bob分别在发送端和接收端制备量子态，得到发送端和接收端的量子信号；
9.然后，合法通信方alice和bob分别将量子信号传输至不可信的第三方charlie端，charlie端对接收到的量子信号进行干涉，并将干涉后的结果用零差探测器进行检测，得到测量结果；
10.之后，charlie端对测量结果通过无噪线性放大器进行放大，输出测量结果并进行公布；
11.合法通信方alice和bob在收到不可信的第三方charlie公布的测量结果之后，bob端对其量子态进行平移操作得到新的量子态模式；
12.最后，合法通信方alice和bob通过执行参数估计、反向协商和保密增强步骤，最终得到安全密钥率。
13.本发明的基于无噪线性放大器的连续变量测量设备无关量子密钥分发方法，通过无噪线性放大器对传输量子态的放大作用，改变它的增益，从而使通信距离有所增加。提高了传输信号的信噪比，提升了系统的密钥率和通信距离，改善了连续变量测量设备无关量子密钥分发系统的性能。
附图说明
14.图1为基于无噪线性放大器的连续变量测量设备无关量子密钥分发协议的eb模型图。
15.图2基于无噪线性放大器的连续变量测量设备无关量子密钥分发系统的等效模型。
16.下面结合附图和实施例对本发明作进一步地进行详细说明。
具体实施方式
17.应当指出的是，以下说明将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术方案所构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些变化和改进均应属于本发明的保护范围。
18.本实施例给出一种基于无噪线性放大器的连续变量测量设备无关量子密钥分发方法，通过无噪线性放大器对传输量子态的放大作用，进一步提升cv-mdi-qkd系统的传输距离及密钥率。
19.图1给出了基于无噪线性放大器的连续变量测量设备无关量子密钥分发协议的eb等效模型图。
20.首先，合法通信方alice和bob分别在发送端和接收端制备量子态，得到发送端和接收端的量子信号；
21.然后，合法通信方分别将量子信号传输至不可信的第三方charlie端，charlie端对接收到的量子信号进行干涉，并将干涉后的结果用零差探测器进行检测，得到测量结果记为xc和pd；
22.之后，将无噪线性放大器加入到cv-mdi-qkd系统的charlie端，charlie端将输出的结果xc和pd分别通过无噪线性放大器nla进行放大操作，输出结果记为x'c和p'd并进行公布；
23.合法通信方alice和bob在收到不可信的第三方charlie公布的测量结果之后，通信方bob对其量子态进行平移操作得到新的量子态模式；
24.最后，合法通信方alice和bob通过执行参数估计、反向协商和保密增强等步骤，最终得到安全密钥率。
25.下面，分为以下两部分进行具体的阐述：
26.一、基于无噪线性放大器的cv-mdi-qkd方案阐述
27.合法通信方alice首先制备一个epr态，并将它的一个模式a1保留下来，将另一个模式a2通过透过率为ta、过噪声为εa的量子信道a发送给不可信任的第三方charlie；
28.合法通信方bob同样制备出一个epr态，并将模式b1保留下来，然后把模式b2通过透过率为tb、过噪声为εb的量子信道b发给不可信任的第三方charlie。
29.不可信任的第三方charlie将收到的两个量子态a
′2和b
′2首先通过一个50：50的分束器进行干涉，然后用零差检测器分别测量，得到测量结果记为xc和pd。
30.若cv-mdi-qkd系统中未添加无噪线性放大器，不可信任的第三方charlie将公布其测量结果xc和pd，合法通信方alice和bob在收到不可信任的第三方charlie公布的测量结果后，合法通信方bob对他所保留的模式b1进行平移操作d(θ)得到模式b
′1，其中θ＝h(xc ipd)，h为平移操作的增益系数，与信道的衰减有关。然后，合法通信方alice和bob分别通过外差检测对模式a1和b
′1进行测量，得到结果{xa，pa}，{xb，pb}。
31.为了提高cv-mdi-qkd系统的效率，将无噪线性放大器加入到上述系统中不可信的第三方charlie端，不可信的第三方charlie端的两个零差探测器的探测结果xc和pd将分别通过无噪线性放大器进行放大操作，输出结果记为x'c和p'd，同时不可信任的第三方charlie公布放大后的结果{x'c，p'd}。
32.合法通信方alice和bob在收到不可信任的第三方charlie公布的测量结果后，合法通信方bob对他所保留的模式b1进行平移操作d(θ')以得到模式b
′1，其中进行平移操作的θ'＝h(x'c ip'd)。然后，合法通信方alice和bob分别通过外差探测器对模式a1和b'0进行测量，得到最终的输出数据{x'a，p'a},{x'b,p'b}。最后，合法通信方alice和bob通过参数估计、反向协商和保密增强等步骤得到密钥。
33.二、基于无噪线性放大器的cv-mdi-qkd方案分析
34.在上述基于无噪线性放大器的cv-mdi-qkd系统中，假设两个信道l
ac
、l
bc
的信道损耗都是α＝0.2db/km，那么这两个通道的透过率为耗都是α＝0.2db/km，那么这两个通道的透过率为
35.针对cv-mdi-qkd协议的非对称结构，即合法通信方alice到不可信的第三方charlie的信道特性与bob到不可信的第三方charlie的信道特性不同，尤指两个信道的透过率并不相等，也就是ta≠tb。考虑将不可信的第三方charlie无限接近合法通信方bob，即l
bc
＝0，那么该系统的通信距离就等价于合法通信方alice到不可信的第三方charlie之间的距离，即l＝l
ac
。
36.接下来，为了便于分析nla对系统性能的提升并对系统的密钥率进行计算，把上述系统等效为如图2所示的一个单向模型，即把一个基于nla的cv-mdi-qkd系统等效为一个未加nla的cv-mdi-qkd系统。假设未加nla的cv-mdi-qkd系统的调制方差为信道的透过率为t，过噪声为ε，那么通过信道等效方法，所等效的新的系统中的调制方差将为透过率为td，过噪声为εd。
37.通过讨论nla对cv-mdi-qkd中alice制备的epr态的筛选作用，可以得到等效纠缠参数λd，即：
[0038][0039]
其中，g是无噪线性放大器nla的放大系数。
[0040]
接下来考虑信道的另外两个等效参数td、εd。为了计算信道的两个等效参数，首先假设alice端未发送量子态，即在信道中传输的是真空态，该情况下nla的输入为散粒噪声和信道过噪声的叠加，可以得到描述nla作用下cv-mdi-qkd系统等效参数的第一个方程：
[0041][0042]
然后考虑若alice端发送一个相干态到信道中，通常情况下，一个相干态可以看做为一个位移操作作用在真空态上产生，而后通过有噪信道后，该位移真空态变成一个位移热态。通过该过程，可以得到td、λd之间的第二个关系表达式：
[0043][0044]
最后，假设合法通信方bob端对合法通信方alice的测量结果一无所知，此时可以得到λd、td、εd三者之间的关系，即：
[0045][0046]
通过上述三个方程，可以得出信道的两个等效参数td、εd的表达式：
[0047][0048][0049]
通过上述三个公式也可以看出来nla可以很好的改善cv-mdi-qkd协议的信噪比，从而将提高系统的通信距离。此外，基于上述公式(1)～公式(3)可以计算出nla作用下cv-mdi-qkd系统的密钥率。
[0050]
通过仿真不同nla增益下系统密钥率与通信距离的关系发现，引入线性无噪放大器可以提升原始系统的密钥率和通信距离，而且随着放大器增益的提升，系统的性能提升将变得更加明显。但是，研究也发现，由于nla存在一个放大成功概率，所以系统的密钥率不会一直随着nla增益的增加而增加，而是有一个最大值。此外，根据进一步研究发现，当nla的增益变大时，cv-mdi-qkd系统中反向协调效率对通信距离的影响将变得较小。而且在短距离通信中，nla的增益越大，反向协调效率对密钥率的影响越小。