一种对实际信号源安全的双场量子密钥分发方法和系统

1.本发明涉及量子密钥分发技术领域，具体涉及一种对实际信号源安全的双场量子密钥分发方法和系统。


背景技术：

2.量子密钥分发基于量子力学基本原理能够提供绝对安全的双方通信，解决了经典密钥分发基于计算复杂度容易被破解的安全性漏洞。如今，量子密钥分发在理论和实验都取得了广泛地研究进展。部分量子密钥分发协议已经进入实用化领域。尽管量子密钥分发在实用化领域取得了一些试探性的成果，其距离真正的实用化还是存在更大的漏洞没有被考虑进去。其中最重要的就是实际发送测量设备与理论假设的差距。量子密钥分发协议的理论安全性分析中往往会要求发送测量设备端满足一些理想化的假设，例如发送端能够精确地制备发送的信号态同时整个量子密钥分发的工程中不会产生边信道效应。除此之外，特洛伊木马攻击也往往没有被考虑进制备-测量量子密钥分发的安全性分析中，这也会导致实际情形下的信息泄露。
3.为了抵御测量端的所有信息泄露，2011年测量设备无关的量子密钥分发被提出（phys. rev. lett. 108, 130503）。虽然能够抵御所有测量端的信息泄露，其依然受到发送端的不完美引起的漏洞的影响。与此同时，另外一个解决实际设备漏洞的方案是2007年提出的设备无关的量子密钥分发（phys. rev. lett. 98, 230501），其基于量子理论的原理来保证理论安全性。但是设备无关量子密钥分发由于成码率很低的原因距离实用化还有很远的距离。同时，2021年的一项理论工作质疑了目前标准的设备无关量子密钥分发的安全性使得设备无关量子密钥分发的安全性陷入了争议（phys. rev. lett. 127, 050503）。
4.在原测量设备无关量子密钥分发架构的基础上，有一种方案也能够解决发送端的设备不完美产生的信息泄露，其具体方法在于在安全性分析中完整地表征出发送端可能存在的各种信息泄露以带入成码率公式中。2019年，西班牙维戈大学的marcos curty小组与日本富山大学的kiyoshi tamaki小组合作的工作（npj quantum inf 5, 62）使用一种容忍损耗的方法（loss-tolerant method）同时对发送端存在的安全性漏洞进行了表征给出了对于不完美的信号态制备，边信道效应与特洛伊木马攻击下依然安全的三态量子密钥分发的成码率；此后2020年他们又考虑了发送端制备信号态过程中存在的相邻时间序列的信号态存在关联性的安全性漏洞，理论上证明了这种关联效应可以被认为是一种边信道效应来表征（science advances, 6, 37, eaaz4487）。之后的2021年，他们提出了只需使用一个参量就可以综合地表征目前所能够考虑到的发送端的安全性漏洞（phys. rev. applied 15, 034072），同时通过采用测量设备无关的量子密钥分发协议的架构，能够达到实际安全性的要求。他们的工作尽管相对完整地表征了发送端的安全漏洞，但是依然存在成码率过低的问题。在实际的设备条件下，其协议很难达到实用化的成码率要求；同时，清华大学的王向斌老师团队提出一种sending-or-not-sending的量子密钥分发协议（phys. rev. applied 12, 054034，简称：sns-qkd）并且证明了其理论上能够抵御边信道攻击，但是该协议在安全
性上依然存在争议，同时也存在成码率低的问题。


技术实现要素：

5.发明目的：本发明目的是提供一种对实际信号源安全的双场量子密钥分发方法和系统，解决了现有的量子密钥分发协议在实际的设备条件下，所存在的成码率过低或安全性不高的问题。本发明的量子密钥分发只需要使用弱相干光脉冲，同时中间测量设备端只需要进行干涉操作，在安全性分析过程中，本发明采用测量设备无关量子密钥分发的基本架构，使用独特的协议实施过程，表征了发送端现有的实际漏洞，能够满足实际安全性的要求，也不需要对传输的信道进行监控；同时，本发明进一步提高了密钥的传输抗噪性，密钥成码率与传输距离。
6.技术方案：本发明一种对实际信号源安全的双场量子密钥分发方法，包括以下步骤：（1）第一发送端与第二发送端分别制备弱相干光脉冲作为信号态，并分别对各自制备的信号态进行编码相位调制，同时第一发送端与第二发送端记录相位调制下的编码信息与基矢信息；之后将第一发送端与第二发送端制备的信号态发送给中间测量设备端，同时第一发送端与第二发送端需要对各自发送的信号态光强与相位进行实时监控，记录下每次发送的信号态光强与相位变化；（2）中间测量设备端对来自第一发送端和第二发送端的信号态进行干涉测量，并选择有且仅有第一探测器和第二探测器中的一个探测器响应的时刻作为有效时刻，记录下响应的探测器和响应发生时刻；（3）重复进行步骤（1）和步骤（2）多次，分发完成后中间测量设备端公布自己有效时刻记录下的响应探测器和响应发生时刻，之后第一发送端和第二发送端各自公布在各个响应发生时刻信号态在相位调制下的基矢信息；第一发送端和第二发送端根据中间测量设备端公布的数据与各自公布的基矢信息，在取相同基矢的情况下形成各自基矢下的原始密钥串；（4）第一发送端和第二发送端进行增益与量子比特错误率的估计，若所估计的增益与量子比特错误率符合成码率的要求，则继续协议；否则放弃协议并重新进行步骤（1）至步骤（3）；（5）第一发送端和第二发送端进行纠错与隐私放大并生成最终的安全密钥；其中，所述步骤（1）中进行编码相位调制的具体过程为：相位调制的选择为，其中相位调制定义为x基矢，相位调制定义为y基矢，第一发送端与第二发送端分别以概率选择x基矢与y基矢，；第一发送端与第二发送端在选择的基矢下等概率地选择该基矢下的相位选项对信号态进行调制；同时第一发送端与第二发送端记录下该时间的编码信息与基矢信息；基矢信息为：基矢的选择及该基矢下调制的相位选项；编码信息为：当在x基矢下，相位调制为0时，对应编码信息为0，相位调制为时，
对应编码为1；当在y基矢下，相位调制为时，对应编码信息为1，相位调制为，对应编码信息为0；所述步骤（4）中进行增益与量子比特错误率的估计具体过程为：第一发送端和第二发送端完全公布y基矢下的编码信息与监控的信息，根据y基矢下的编码信息与监控的信息计算y基矢下的比特错误率，之后第一发送端和第二发送端公布x基矢下的部分编码信息与监控的信息，根据x基矢下的编码信息与监控的信息计算x基矢下的增益与x基矢下的比特错误率；此时，x基矢下相位错位率为：其中，为信息泄露有关的物理量，公式为，为x基矢下的增益；为不同基矢下总的实际信号态保真度。
7.进一步的，所述步骤（2）中第一探测器在探测来自第一发送端和第二发送端的信号态相位差是0时响应；第二探测器在探测来自第一发送端和第二发送端的信号态相位差是时响应。
8.进一步的，所述步骤（3）还包括：当中间测量设备端公布自己有效时刻记录下的响应探测器为第二探测器时，第二发送端会对相应时刻基矢下的编码信息进行翻转。
9.进一步的，所述为不同基矢下总的实际信号态保真度，其根据两个发送端的量子纠缠态计算，具体过程为：发送端处于理想情况时，其x基矢下发送的理想信号态为，y基矢下发送的理想信号态为，其中为光强，为表示虚数单位；再根据对应的编码信息，构建不同基矢下基于量子纠缠的理想信号态为，x基矢下，y基矢下；实际情况下，令第一发送端为a，第二发送端为b，不同基矢下的纠缠态写为，其中以表征不同的发送端；最终得到。
10.进一步的，所述步骤（4）中成码率的公式为：
，其中，为香农熵，表达式为，为纠错效率；成码率的要求为若成码率大于0则继续；若成码率小于0，则放弃协议并重新进行步骤（1）至步骤（3）。
11.本发明还包括一种对实际信号源安全的双场量子密钥分发系统，包括第一发送端、第二发送端和中间测量设备端，所述第一发送端和第二发送端均包括相干光制备模块、调制模块和监控模块；其中相干光制备模块用于产生相干光脉冲；调制模块用于对相干光脉冲进行编码相位调制，并将相干光脉冲衰减为弱相干光脉冲；监控模块用于对弱相干光脉冲的光强与相位进行实时监控，记录下发送的弱相干光脉冲光强与相位变化；中间测量设备端包括测量模块，所述测量模块用于实现对接收的弱相干光脉冲进行干涉测量，并对干涉测量的结果进行相应的响应。
12.进一步的，所述相干光制备模块包括相干光光源，相干光光源用于产生相干光脉冲；调制模块包括相位调制单元和光衰减单元，相位调制单元用于对相干光脉冲进行编码相位调制，光衰减单元用于将相干光脉冲衰减为弱相干光脉冲；监控模块包括第二分束器和第三探测器，用于对弱相干光脉冲的光强与相位进行实时监控，记录下发送的弱相干光脉冲光强与相位变化；测量模块包括第一分束器、第一探测器和第二探测器，第一分束器用两弱相干光脉冲的干涉来进行弱相干光脉冲的干涉测量，第一探测器和第二探测器分别用于探测对应两端口的光子探测响应。
13.本发明的有益效果：（1）符合实际信号源的安全性条件：在本发明中，不需要对发送端发送的弱相干光脉冲进行理想化的要求，只需要对发送的弱相干光脉冲的情况进行监控并记录，带入成码率的计算就能生成在监控条件下安全的成码率；（2）不需要发送诱骗态：本发明对所使用的安全性分析进行优化，移除了需要使用诱骗态的条件，简化了实验发送端的实验设备要求；（3）抗噪性提升：本发明在密钥的生成过程中对窃听者获取信息的估计与弱相干光脉冲在传输过程中的任何情况无关；（4）测量设备无关：本发明的密钥生成过程与中间测量设备端可信与否无关，可以设定中间测量设备端为窃听者也能保证本发明的安全性；（5）提高传输距离与成码率：本发明基于上述优势，与原协议相比还提高了密钥传输的距离，在远距离传输量子密钥的情况下仍可获得较高的成码率；（6）本发明设备简单，实用，对实际操作具有极高的适配性与较强的实用性。
附图说明
14.图1为本发明系统示意图；图2为本发明具体实施结构示意图；
图3为本发明的模拟结果效果图。
具体实施方式
15.下面结合附图和实施例对本发明做进一步描述：如图1至图3所示，本发明提出了一种对实际信号源安全的双场量子密钥分发方法，包括以下步骤：（1）第一发送端与第二发送端分别制备弱相干光脉冲作为信号态，并分别对各自制备的信号态进行编码相位调制，同时第一发送端与第二发送端记录相位调制下的编码信息与基矢信息；进行编码相位调制的具体过程为：相位调制的选择为，本方法中存在基矢的选择，其中相位调制定义为x基矢，相位调制定义为y基矢，第一发送端与第二发送端分别以概率选择x基矢与y基矢，；第一发送端与第二发送端在选择的基矢下等概率地选择该基矢下的相位选项对信号态进行调制；同时第一发送端与第二发送端记录下该时间的编码信息与基矢信息；基矢信息为：基矢的选择及该基矢下调制的相位选项；编码信息为：当在x基矢下，相位调制为0时，对应编码信息为0，相位调制为时，对应编码为1；当在y基矢下，相位调制为时，对应编码信息为1，相位调制为，对应编码信息为0；之后将第一发送端与第二发送端制备的信号态发送给中间测量设备端，同时第一发送端与第二发送端需要对各自发送的信号态光强与相位进行实时监控，记录下每次发送的信号态光强与相位变化；对于两个发送端制备的信号态，本发明容许其制备过程中产生光强与相位的偏差，在存在一定偏差的情况下也能够保证其安全性，两发送端需要对发送信号态的光强与相位进行监控。
16.（2）中间测量设备端对来自第一发送端和第二发送端的信号态进行干涉测量，并选择有且仅有第一探测器和第二探测器中的一个探测器响应的时刻作为有效时刻，记录下响应的探测器和响应发生时刻；其中，第一探测器在探测来自第一发送端和第二发送端的信号态相位差是0时响应；第二探测器在探测来自第一发送端和第二发送端的信号态相位差是时响应。
17.因此，中间测量设备端对两个发送端的信号态进行干涉，测量某时刻接收到的来自两个发送端的信号态的相位差是0还是，分别对应于不同探测器的响应。中间测量设备端取只有一个探测器响应的时刻为有效时刻，记录下响应的探测器和响应发生时刻。本发明与测量设备无关，即除了发送端之外不需要设定中间测量设备端为可信方，或者说，可以认为中间测量设备端为窃听者。
18.（3）重复进行步骤（1）和步骤（2）多次，分发完成后中间测量设备端公布自己有效
时刻记录下的响应探测器和响应发生时刻，之后第一发送端和第二发送端各自公布在各个响应发生时刻信号态在相位调制下的基矢信息；第一发送端和第二发送端根据中间测量设备端公布的数据与各自公布的基矢信息，在取相同基矢的情况下形成该基矢下的原始密钥串，也就是形成x基矢与y基矢下各自的原始密钥串；当中间测量设备端公布自己有效时刻记录下的响应探测器为第二探测器时，第二发送端会对相应时刻基矢下的编码信息进行翻转。
19.（4）第一发送端和第二发送端进行增益与量子比特错误率的估计，具体过程为：第一发送端和第二发送端完全公布y基矢下的编码信息与监控的信息，监控的信息指的是步骤（1）中对各自发送的信号态光强与相位进行实时监控，记录下每次发送的信号态光强与相位变化的数据，根据y基矢下的编码信息与监控的信息计算y基矢下的比特错误率，之后第一发送端和第二发送端公布x基矢下的部分编码信息与监控的信息，根据x基矢下的编码信息与监控的信息计算x基矢下的增益与x基矢下的比特错误率；同时可用于估计对窃听者可获取的关于原始密钥的信息，窃听者获取的关于原始密钥的信息以x基矢下相位错位率来表征，x基矢下相位错位率公式为：其中，为信息泄露有关的物理量，公式为，为x基矢下的增益；为不同基矢下总的实际信号态保真度；为不同基矢下总的实际信号态保真度，其根据两个发送端的量子纠缠态计算，具体过程为：发送端处于理想情况时，其x基矢下发送的理想信号态为，y基矢下发送的理想信号态为，其中为光强，为表示虚数单位；再根据对应的编码信息，构建不同基矢下基于量子纠缠的理想信号态为，x基矢下，y基矢下；实际情况下，为了方便理论公式的表达，我们不妨先假设对称的情形，即两个发送端对于不同的信号态的光强相位调制的偏差相同，我们假设四种信号态实际上为；考虑边信道效应时，以偏振空间的边信道效应为例，可以将四信号态写为
，实验中我们只取h偏振的情况作为成码的信号态，在具体操作中可以使用保偏光纤对偏振的边信道进行限制，事先对保偏光纤的保偏程度进行标定就可以获得的值；本发明强调其他的边信号情况都可以根据此方法进行发送信号态的建模，用于最终成码率公式的计算；同时，本发明还可以将实际发送端设备相位调制的信号态关联进行表征，具体根据文献（scienceadvances,6,37,eaaz4487）的结果可以将态关联作为一种边信道来建模，设态关联参数为，信号态可以写为，其中表征与正交的信号态，我们不需要对这个态进行具体描述，同时我们考虑最差的情况，此信号态与除了它本身之外的其余信号态都正交；其余的信号态都根据如此的写法生成新的信号态。
20.如此之后，令第一发送端为a，第二发送端为b，不同基矢下的纠缠态写为，其中以表征不同的发送端；带入计算最终得到。
21.若所估计的增益与量子比特错误率符合成码率的要求，则继续协议；否则放弃协议并重新进行步骤（1）至步骤（3）；其中，成码率的公式为：，其中，为香农熵，表达式为，为纠错效率；成码率的要求为若成码率大于0则继续；若成码率小于0，则放弃协议并重新进行步骤（1）至步骤（3）。
22.根据上述公式可以发现，实际监控下的发送端发送的信号态也会带入安全码率的估计，但是其与信号态在传输过程中的情况无关。
23.（5）第一发送端和第二发送端进行纠错与隐私放大并生成最终的安全密钥。
24.为了简化计算过程，在考虑理想信号态与两个发送端对称的情况下，对本发明的安全码率进行模拟，同时做出与对比文献1phys.rev.applied15,034072和对比文献2phys.rev.applied12,054034在相同参数情况下的码率见图3，所采用的参数如下：
为单光子探测器的暗计数率，为探测器探测效率，为纠错效率。
25.从图3可以看出，本发明在成码率方面的优势。
26.如图1所示，本发明还包括一种对实际信号源安全的双场量子密钥分发系统，包括第一发送端、第二发送端和中间测量设备端，第一发送端和第二发送端均包括相干光制备模块、调制模块和监控模块；其中相干光制备模块用于产生相干光脉冲；调制模块用于对相干光脉冲进行编码相位调制，并将相干光脉冲衰减为弱相干光脉冲；监控模块用于对弱相干光脉冲的光强与相位进行实时监控，记录下发送的弱相干光脉冲光强与相位变化；中间测量设备端包括测量模块，所述测量模块用于实现对接收的弱相干光脉冲进行干涉测量，并对干涉测量的结果进行相应的响应。
27.如图2所示，本发明还包括一种对实际信号源安全的双场量子密钥分发系统，包括第一发送端、第二发送端和中间测量设备端，第一发送端和第二发送端均包括相干光制备模块、调制模块和监控模块；相干光制备模块包括相干光光源，相干光光源用于产生相干光脉冲；调制模块包括相位调制单元和光衰减单元，相位调制单元用于对相干光脉冲进行编码相位调制，光衰减单元用于将相干光脉冲衰减为弱相干光脉冲；监控模块包括第二分束器和第三探测器，用于对弱相干光脉冲的光强与相位进行实时监控，记录下发送的弱相干光脉冲光强与相位变化；中间测量设备端包括测量模块，测量模块包括第一分束器、第一探测器和第二探测器，第一分束器用两弱相干光脉冲的干涉来进行弱相干光脉冲的干涉测量，第一探测器和第二探测器分别用于探测对应两端口的光子探测响应。
28.综上所述，本发明的技术方案需要对发送端发送的信号态进行严格的要求，在维持监控的情况下即能够保证成码的安全，同时本发明移除了需要使用诱骗态的条件，简化了实验发送端的实验设备要求。而且，本发明的密钥的生成过程对窃听者获取信息的估计与信号态在传输过程中的任何情况无关，移除了需要进行信道监控的要求，极大提高了系统的抗噪性。此外，本发明的密钥生成过程与中间的测量设备端可信与否无关，可以设定测量设备端即窃听者可能保证本方案的安全性。本发明基于上述优势，提高了密钥传输的距离，在远距离传输量子密钥的情况下仍可获得较高的成码率。同时，基于上述优点，本方案对实际操作具有极高的适配性与较强的实用性。