面向量子密钥分发的追加冻结比特信息协调方法及装置

1.本技术涉及量子密钥计算技术领域，特别是涉及一种面向量子密钥分发的追加冻结比特信息协调方法、装置、计算机设备和存储介质。


背景技术：

2.近年来，随着计算技术，特别是量子计算技术的快速发展，以数学问题复杂性为安全基础的现代密码体系面临着严峻的安全挑战。量子密钥分发技术，基于量子力学的不可克隆、海森堡测不准原理等基本物理学原理，可以为通信双方产生信息论安全的密钥。量子密钥分发技术，结合目前唯一为证明信息论安全的加密算法“一次一密”，可以实现具有信息论安全的密钥分发。量子密钥分发系统在工作时通常可以分为两个阶段：量子通信阶段和后处理阶段。量子密钥分发系统产生信息论安全密钥的必要条件之一是通过后处理阶段的信息协调步骤将筛选密钥中的错误比特进行纠正。否则，量子密钥分发系统不能实现信息论安全密钥的分发。
3.然而，现有量子密钥分发系统中信息协调的方案是通过交互式信息协调或基于前向纠错码的单向信息协调两类方案进行纠错。其中，交互式信息协调中过多的交互次数导致较大的通信延迟，单向信息协调中，基于极化码的信息协调具有逼近香农极限的潜力，现有的方案通过改进配置方法、引入scl译码器、结合ldpc码进行反馈式协调等方案，成功将协调失败概率降低，并且在协调过程中传递一次固定长度的冻结比特以完成信息协调。现有基于极化码的信息协调方案存在如下问题：一是未优化选取冻结比特方法，冻结比特的选取直接关联协调失败概率，冗余的冻结比特将会导致信息协调效率降低；二是在实施方案时仅传输一次固定某长度的冻结比特，在保证低失败概率的情况下会造成过多的泄露信息量，安全性低，信息协调效率降低。


技术实现要素：

4.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够提高信息协调效率的面向量子密钥分发的追加冻结比特信息协调方法、装置、计算机设备和存储介质。
5.一种面向量子密钥分发的追加冻结比特信息协调方法，所述方法包括：
6.获取发送方和接收方的待协调的密钥；
7.对发送方待协调的密钥进行预处理，得到发送方密钥的码字和循环冗余校验值；
8.根据预先设置的追加冻结比特协调轮数和特定数目的冻结比特，从初始轮协调起依次在每一轮协调中追加特定数目的冻结比特；在当前轮次协调中利用已知的冻结比特位置、当前轮次的冻结比特对接收方的待协调的密钥进行译码，得到接收方密钥的码字；
9.根据循环冗余校验值对接收方密钥的码字进行校验，得到译码信号；
10.利用译码信号对发送方和接收方的待协调的密钥进行协调。
11.在其中一个实施例中，利用译码信号对发送方和接收方的待协调的密钥进行协调，包括：接收方将译码信号发送给发送方进行判断，如果译码成功，则将发送方密钥的码
字和接收方密钥的码字作为协调一致的弱安全密钥。
12.在其中一个实施例中，如果译码失败，则在下一轮协调中追加特定数目的冻结比特进行协调，直至译码成功。
13.在其中一个实施例中，特定数目的冻结比特为可达到最优协调效率的多个数目的冻结比特；获取特定数目的冻结比特的过程包括：
14.预先设置译码失败概率；根据译码失败概率确定最小的冻结比特数目；
15.从最小冻结比特数目上递增不同数目的冻结比特，再进行高次数的编码译码，得到不同数目的冻结比特对应的译码失败概率；
16.通过枚举法遍历不同数目的冻结比特及对应的译码失败概率，搜索能达到最优协调效率的冻结比特的数目作为特定数目的冻结比特。
17.在其中一个实施例中，预先设置的追加冻结比特协调轮数最优为4轮。
18.在其中一个实施例中，对发送方的密钥进行预处理，得到发送方密钥的码字和循环冗余校验值，包括：对发送方的密钥按照极化编码的方式编码，得到码字并计算码字的循环冗余校验值。
19.在其中一个实施例中，已知的冻结比特位置为具有最大错误概率的极化信道的位置。
20.一种面向量子密钥分发的追加冻结比特信息协调装置，所述装置包括：
21.密钥预处理模块，用于获取发送方和接收方的待协调的密钥；对发送方待协调的密钥进行预处理，得到发送方密钥的码字和循环冗余校验值；
22.追加冻结比特模块，用于根据预先设置的追加冻结比特协调轮数和特定数目的冻结比特，从初始轮协调起依次在每一轮协调中追加特定数目的冻结比特；在当前轮次协调中利用已知的冻结比特位置、当前轮次的冻结比特对接收方的待协调的密钥进行译码，得到接收方密钥的码字；
23.协调模块，用于根据循环冗余校验值对接收方密钥的码字进行校验，得到译码信号；利用译码信号对发送方和接收方的待协调的密钥进行协调。
24.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：
25.获取发送方和接收方的待协调的密钥；
26.对发送方待协调的密钥进行预处理，得到发送方密钥的码字和循环冗余校验值；
27.根据预先设置的追加冻结比特协调轮数和特定数目的冻结比特，从初始轮协调起依次在每一轮协调中追加特定数目的冻结比特；在当前轮次协调中利用已知的冻结比特位置、当前轮次的冻结比特对接收方的待协调的密钥进行译码，得到接收方密钥的码字；
28.根据循环冗余校验值对接收方密钥的码字进行校验，得到译码信号；
29.利用译码信号对发送方和接收方的待协调的密钥进行协调。
30.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：
31.获取发送方和接收方的待协调的密钥；
32.对发送方待协调的密钥进行预处理，得到发送方密钥的码字和循环冗余校验值；
33.根据预先设置的追加冻结比特协调轮数和特定数目的冻结比特，从初始轮协调起
依次在每一轮协调中追加特定数目的冻结比特；在当前轮次协调中利用已知的冻结比特位置、当前轮次的冻结比特对接收方的待协调的密钥进行译码，得到接收方密钥的码字；
34.根据循环冗余校验值对接收方密钥的码字进行校验，得到译码信号；
35.利用译码信号对发送方和接收方的待协调的密钥进行协调。
36.上述面向量子密钥分发的追加冻结比特信息协调方法、装置、计算机设备和存储介质，首先预先设置的追加冻结比特协调轮数和特定数目的冻结比特，从初始轮协调起依次在每一轮协调中追加特定数目的冻结比特；在当前轮次协调中利用已知的冻结比特位置、当前轮次的冻结比特对接收方的待协调的密钥进行译码，得到接收方密钥的码字；根据循环冗余校验值对接收方密钥的码字进行校验，得到译码信号；利用译码信号对发送方和接收方的待协调的密钥进行协调。本发明通过设置追加冻结比特协调轮数和特定数目的冻结比特，基于极化码的构造方式，将冻结比特进行小增量多轮次的传输，降低了传输过程中的泄露信息量，并通过反馈译码信号决定译码是否继续，以逼近香农极限的协调效率完成信息协调，生成协调一致的弱安全密钥，提高了信息协调效率，进一步逼近香农极限，通过增加反馈进行多轮次协调，并在每一轮协调中少量增加冻结比特长度，降低了传输过程中的泄露信息量，提高了信息传输过程中的安全性。
附图说明
37.图1为一个实施例中一种面向量子密钥分发的追加冻结比特信息协调方法的流程示意图；
38.图2为一个实施例中一种面向量子密钥分发的追加冻结比特信息协调装置的结构框图；
39.图3为一个实施例中计算机设备的内部结构图。
具体实施方式
40.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
41.在一个实施例中，如图2所示，提供了一种面向量子密钥分发的追加冻结比特信息协调方法，包括以下步骤：
42.步骤102，获取发送方和接收方的待协调的密钥；对发送方待协调的密钥进行预处理，得到发送方密钥的码字和循环冗余校验值。
43.循环冗余校验值用于对接收方的码字进行校验，得到译码信号。
44.步骤104，根据预先设置的追加冻结比特协调轮数和特定数目的冻结比特，从初始轮协调起依次在每一轮协调中追加特定数目的冻结比特；在当前轮次协调中利用已知的冻结比特位置、当前轮次的冻结比特对接收方的待协调的密钥进行译码，得到接收方密钥的码字。
45.冻结比特是指在极化码中用以支持通信另一方进行译码操作的比特串，由0，1构成，是码字u的组成部分。其比特位置处于具有高错误率的极化信道中。
46.在确定协调轮数时，经过多次信息协调结果分析，发现追加冻结比特协调轮数越
大，协调效率越好，但导致通信时延更大，根据协调效率的结果分析，在追加冻结比特协调轮数r为4时，协调效率最优并且通信时延也在合理范围内。
47.确定协调轮数后，经过多次信息协调，可以得到译码成功次数和译码失败次数从而确定译码失败概率，为了保证协调方案的失败概率最小，最小化冻结比特的值kr，从kr递增的不同数目的冻结比特ki，，进行高次数的编码译码，统计得到对应的译码失败概率pi。通过枚举法遍历r-1个译码失败概率，搜索能达到最优协调效率的(k
1,k2,
…
,
kr)(k
i 1
》k
i，
i＝1,2,
…
r)，将其作为r轮协调中选取特定数目的冻结比特的方案，对应存在(v
1,v2,
…
,vr
)，以信道进化退化方法进行冻结比特选取，优化每一轮冻结比特和译码失败概率，可有效降低泄露信息量，使得具有更高的协调效率。
48.步骤106，根据循环冗余校验值对接收方密钥的码字进行校验，得到译码信号；利用译码信号对发送方和接收方的待协调的密钥进行协调。
49.接收方反馈译码信号给发送方，通信双方对其进行判断，如果译码成功，通信双方将各自的码字u，u’作为协调一致的弱安全密钥。如果译码失败且达到最大协调轮数r，则协调失败。否则，进行下一轮的追加冻结比特协调，通过增加反馈进行多轮次协调，并在每一轮协调中少量增加特定数目的冻结比特，与现有方案相比，降低了传输过程中的泄露信息量。
50.上述面向量子密钥分发的追加冻结比特信息协调方法中，首先预先设置的追加冻结比特协调轮数和特定数目的冻结比特，从初始轮协调起依次在每一轮协调中追加特定数目的冻结比特；在当前轮次协调中利用已知的冻结比特位置、当前轮次的冻结比特对接收方的待协调的密钥进行译码，得到接收方密钥的码字；根据循环冗余校验值对接收方密钥的码字进行校验，得到译码信号；利用译码信号对发送方和接收方的待协调的密钥进行协调。本发明通过设置追加冻结比特协调轮数和特定数目的冻结比特，基于极化码的构造方式，将冻结比特进行小增量多轮次的传输，降低了传输过程中的泄露信息量，并通过反馈译码信号决定译码是否继续，以逼近香农极限的协调效率完成信息协调，生成协调一致的弱安全密钥，提高了信息协调效率，进一步逼近香农极限，通过增加反馈进行多轮次协调，并在每一轮协调中少量增加冻结比特长度，降低了传输过程中的泄露信息量，提高了信息传输过程中的安全性。
51.在其中一个实施例中，利用译码信号对发送方和接收方的待协调的密钥进行协调，包括：接收方将译码信号发送给发送方进行判断，如果译码成功，则将发送方密钥的码字和接收方密钥的码字作为协调一致的弱安全密钥。
52.在其中一个实施例中，如果译码失败，则在下一轮协调中追加特定数目的冻结比特进行协调，直至译码成功。
53.在其中一个实施例中，特定数目的冻结比特为可达到最优协调效率的多个数目的冻结比特；获取特定数目的冻结比特的过程包括：预先设置译码失败概率；根据译码失败概率确定最小的冻结比特数目；从最小冻结比特数目上递增不同数目的冻结比特，再进行高次数的编码译码，得到不同数目的冻结比特对应的译码失败概率；通过枚举法遍历不同数目的冻结比特及对应的译码失败概率，搜索能达到最优协调效率的冻结比特的数目作为特定数目的冻结比特。
54.在具体实施例中，对追加的冻结比特的数目进行选取时应用极化码构造方法，将
冻结比特长度与译码失败概率相关联，优化每一轮泄露信息量，提高协调效率。
55.在其中一个实施例中，预先设置的追加冻结比特协调轮数最优为4轮。
56.在其中一个实施例中，对发送方的密钥进行预处理，得到发送方密钥的码字和循环冗余校验值，包括：对发送方的密钥按照极化编码的方式编码，得到码字并计算码字的循环冗余校验值。其中，计算码字的循环冗余校验值是现有技术，在本发明中不做过多的叙述。
57.在其中一个实施例中，已知的冻结比特位置为具有最大错误概率的极化信道的位置。
58.具体实施过程中由于在极化码构造过程中，每一轮的译码成功概率正比于冻结比特所在极化信道的错误概率(在构造时已计算得到)之和，确定译码成功概率后，选取具有最大错误概率的极化信道，并记录其位置信息，可以最小化冻结比特的数量，以减小泄露信息量，提高协调效率。
59.应该理解的是，虽然图1的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
60.在一个实施例中，如图2所示，提供了一种面向量子密钥分发的追加冻结比特信息协调装置，包括：密钥预处理模块202、追加冻结比特模块204和协调模块206，其中：
61.密钥预处理模块202，用于获取发送方和接收方的待协调的密钥；对发送方待协调的密钥进行预处理，得到发送方密钥的码字和循环冗余校验值；
62.追加冻结比特模块204，用于根据预先设置的追加冻结比特协调轮数和特定数目的冻结比特，从初始轮协调起依次在每一轮协调中追加特定数目的冻结比特；在当前轮次协调中利用已知的冻结比特位置、当前轮次的冻结比特对接收方的待协调的密钥进行译码，得到接收方密钥的码字；
63.协调模块206，用于根据循环冗余校验值对接收方密钥的码字进行校验，得到译码信号；利用译码信号对发送方和接收方的待协调的密钥进行协调。
64.在其中一个实施例中，协调模块206还用于利用译码信号对发送方和接收方的待协调的密钥进行协调，包括：接收方将译码信号发送给发送方进行判断，如果译码成功，则将发送方密钥的码字和接收方密钥的码字作为协调一致的弱安全密钥。
65.在其中一个实施例中，协调模块206还用于如果译码失败，则在下一轮协调中追加特定数目的冻结比特进行协调，直至译码成功。
66.在其中一个实施例中，特定数目的冻结比特为可达到最优协调效率的多个数目的冻结比特；追加冻结比特模块204还用于获取特定数目的冻结比特的过程的过程包括：预先设置译码失败概率；根据译码失败概率确定最小的冻结比特数目；从最小冻结比特数目上递增不同数目的冻结比特，再进行高次数的编码译码，得到不同数目的冻结比特对应的译码失败概率；通过枚举法遍历不同数目的冻结比特及对应的译码失败概率，搜索能达到最优协调效率的冻结比特的数目作为特定数目的冻结比特。
67.在其中一个实施例中，预先设置的追加冻结比特协调轮数最优为4轮。
68.在其中一个实施例中，密钥预处理模块202还用于对发送方的密钥进行预处理，得到发送方密钥的码字和循环冗余校验值，包括：对发送方的密钥按照极化编码的方式编码，得到码字并计算码字的循环冗余校验值。
69.在其中一个实施例中，已知的冻结比特位置为具有最大错误概率的极化信道的位置。
70.关于面向量子密钥分发的追加冻结比特信息协调装置的具体限定可以参见上文中对于面向量子密钥分发的追加冻结比特信息协调方法的限定，在此不再赘述。上述面向量子密钥分发的追加冻结比特信息协调装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
71.在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是终端，其内部结构图可以如图3所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口、显示屏和输入装置。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种面向量子密钥分发的追加冻结比特信息协调方法。该计算机设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该计算机设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算机设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。
72.本领域技术人员可以理解，图3中示出的结构，仅仅是与本技术方案相关的部分结构的框图，并不构成对本技术方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
73.在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，该存储器存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现上述实施例中方法的步骤。
74.在一个实施例中，提供了一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述实施例中方法的步骤。
75.本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本技术所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(rom)、可编程rom(prom)、电可编程rom(eprom)、电可擦除可编程rom(eeprom)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(ram)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，ram以多种形式可得，诸如静态ram(sram)、动态ram(dram)、同步dram(sdram)、双数据率sdram(ddrsdram)、增强型sdram(esdram)、同步链路(synchlink)dram(sldram)、存储器总线(rambus)直接ram(rdram)、直接存储器总线动态ram(drdram)、以及存储器总线动态ram(rdram)等。
76.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
77.以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。