一种优化配对的测量设备无关量子密钥分发方法

1.本发明涉及量子密钥分发技术领域，具体涉及一种优化配对的测量设备无关量子密钥分发方法。


背景技术：

2.量子密钥分发技术能实现拥有无条件安全性的远距离通讯用户分享密钥，其理论上的无条件安全性由量子力学原理保证，是量子信息领域中目前最接近实用化的研究方向；虽然量子密钥分发的安全性在理论上得到了证明，实际设备的不完美和缺陷会导致一系列安全漏洞，使得窃听者可以实现多种攻击手段，尤其是针对测量设备的攻击。测量设备无关的量子密钥分发协议利用双光子干涉规避了探测端的所有漏洞，但其成码率被证明存在一个线性成码率极限的限制，难以应用于长距离通讯；之后提出的双场量子密钥分发虽然能打破这个线性边界的限制，但其需要稳定的长距离单光子干涉，必须使用复杂且昂贵的相位跟踪和相位锁定技术，并且这些技术也会对系统的表现带来负面影响；而现有的异步匹配的测量设备无关量子密钥分发协议利用后匹配方法巧妙地将同步时间编码转化为异步时间编码，能够在移除复杂的硬件设备需求的基础上，保证密钥分发过程良好的表现；但是其提出的后匹配和实验数据处理仍不是最优方法，有部分无用数据参与到处理和匹配，从而导致成码率下降的问题。


技术实现要素：

3.发明目的：本发明目的是提供一种优化配对的测量设备无关量子密钥分发方法，解决了现有的异步匹配测量设备无关量子密钥分发方法其提出的后匹配过程中，会有部分无用数据参与到处理和匹配中，从而导致成码率下降的问题。本发明通过优化了异步匹配测量设备无关量子密钥分发方法中后匹配的密钥配对过程，通过预处理移去部分强度数据及使用最优配对为最近邻配对的方式提高了配对效率，使实施过程中相位错误率接近理论最低值，从而提高了成码率。
4.技术方案：本发明一种优化配对的测量设备无关量子密钥分发方法，包括以下步骤：（1）制备：第一发送端和第二发送端均随机制备不同光强的弱相干态量子信号光脉冲通过量子信道发往测量端；其中，制备具体为：在每个时间窗口t，第一发送端和第二发送端分别选择随机相位和随机经典比特来制备弱相干态量子信号光脉冲，第一发送端制备的弱相干态量子信号光脉冲表达式为，第二发送端制备的弱相干态量子信号光脉冲表达式为，其中
，为正整数，为虚数单位，，分别为第一发送端和第二发送端制备的量子信号光脉冲光强，，；第一发送端和第二发送端将光强的脉冲作为真空态量子信号光脉冲，将光强的脉冲作为信号态量子信号光脉冲，将光强的脉冲作为诱骗态量子信号光脉冲；（2）测量：测量端对接收到的第一发送端和第二发送端的量子信号光脉冲进行干涉测量，当有且仅有第一探测器和第二探测器中的一个探测器响应时，记为一个成功事件；同时，测量端记录做出响应的探测器；（3）后匹配：对于每一个成功事件，当第一发送端和第二发送端中任意一方选择诱骗态量子信号光脉冲时，则两个发送端均公布各自的光强、相位信息以及经典比特值；并且在记录下所有的成功事件后，第一发送端和第二发送端根据最近邻配对规则，得到x基矢和z基矢下成功配对的脉冲对，根据x基矢和z基矢下成功配对的脉冲对，分别生成x基矢下的比特值和z基矢下的比特值；（4）参数估计：第一发送端和第二发送端随机公布z基矢下的比特值用于计算z基矢比特错误率，公布x基矢下的比特值用于计算x基矢的比特错误总数，利用诱骗态方法进行参数估计；（5）后处理：根据参数估计的结果来对z基矢的比特值进行经典纠错，错误验证和隐私放大，得到最终密钥。
5.进一步的，所述步骤（2）中测量端还测量出第一发送端和第二发送端在每个时间窗口t内的由激光器频率差和信道长度漂移引起的相位噪声差，记为。
6.进一步的，所述步骤（3）中第一发送端和第二发送端根据最近邻配对规则，得到x基矢和z基矢下成功配对的脉冲对的具体过程为：首先，采用来表示一个成功事件中第一发送端和第二发送端选择量子信号光脉冲的光强，，；然后第一发送端和第二发送端将光强为和的事件抛弃，再进行剩余成功事件的配对；用表示在配对的两个成功事件中所对应的配对时刻下，第一发送端、第二发送端选择量子信号光脉冲的光强之和；接着，定义三类初始配对的事件满足条件：1）在z基矢下初始配对的事件是满足光强之和的成功事件；2）在x基矢下初始配对的事件是满足光强之和的成功事件，同时满足光强之和
的成功事件，还需满足或者，其中，是在第个时间窗口的相位噪声差，， 是在第个时间窗口的相位噪声差；3）真空态初始配对的事件是光强之和满足的成功事件；对满足初始配对条件的所有成功事件进行配对，配对过程如下：步骤a1：定义任一成功事件为第一配对事件，第一配对事件寻找该事件后时间间隔最短的第二配对事件进行配对，且第一配对事件和第二配对事件中第一发送端、第二发送端选择量子信号光脉冲的光强之和满足或或；若存在满足的第二配对事件则进行步骤a2，若不存在满足的第二配对事件则舍弃第一配对事件，重新定义另一成功事件为第一配对事件，返回步骤a1重新寻找第二配对事件，直至没有要配对的成功事件；步骤a2：存在满足的第二配对事件则进行配对时间判断，当第一配对事件与第二配对事件进行配对的时间大于，则舍弃第一配对事件，令第二配对事件为新的第一配对事件返回步骤a1重新寻找新的第二配对事件；当第一配对事件与第二配对事件进行配对的时间小于等于，则保留第一配对事件与第二配对事件，保留的第一配对事件与第二配对事件为最终的成功配对事件，其中为预先设置的配对时间值；若最终的成功配对事件中第一配对事件与第二配对事件的第一发送端、第二发送端选择量子信号光脉冲的光强之和满足，则成功配对事件为z基矢下的成功配对事件，其所对应的脉冲对为z基矢下成功配对的脉冲对；若最终的成功配对事件中第一配对事件与第二配对事件的第一发送端、第二发送端选择量子信号光脉冲的光强之和满足，则成功配对事件为x基矢下的成功配对事件，其所对应的脉冲对为x基矢下成功配对的脉冲对；若最终的成功配对事件中第一配对事件与第二配对事件的第一发送端、第二发送端选择量子信号光脉冲的光强之和满足，则成功配对事件为真空态下的成功配对事件，其所对应的脉冲对为真空态下成功配对的脉冲对。
7.进一步的，所述步骤（3）中根据x基矢和z基矢下成功配对的脉冲对，分别生成x基矢下的比特值和z基矢下的比特值的具体过程为：在x基矢下成功配对的脉冲对中，第一发送端和第二发送端找出都选择诱骗态光
强制备量子光脉冲的脉冲对，即的脉冲对，第一发送端计算、第二发送端计算来得到x基矢下的经典比特，并且当以及两次响应是同一探测器响应，或者以及两次响应是不同探测器响应时，第二发送端选择反转自己计算的比特值；在z基矢下成功配对的脉冲对中，第一发送端找出脉冲对中一次选择发送信号态光强的脉冲，一次选择发送真空态光强的脉冲，记录下对应的时间窗口；当第一发送端先发送信号态光强的脉冲，后发送真空态光强的脉冲，即其光强选择的先后顺序为时，第一发送端记录比特值1；当第一发送端先发送真空态光强的脉冲，后发送信号态光强的脉冲，即其光强选择的先后顺序为时，第一发送端记录比特值0；之后第一发送端公布脉冲对对应的时间窗口，第二发送端根据时间窗口找出对应时间窗口的光强，当第二发送端先发送真空态光强的脉冲，后发送信号态光强的脉冲，即其光强选择的先后顺序为时，第二发送端记录比特值1；当第二发送端先发送真空态光强的脉冲，后发送信号态光强的脉冲，即其光强选择的先后顺序为时，第二发送端记录比特值0；当第二发送端的光强选择为时，即，则第二发送端公布这一事实，不产生z基矢下的比特值。
8.进一步的，所述步骤（4）中利用诱骗态方法进行参数估计的具体过程为：s1：第一发送端和第二发送端通过诱骗态方法计算出单光子响应率的期望值的下限：其中，*表示期望值，上下横线分别表示上下限，表示z基矢下成功配对事件数目，；表示x基矢下成功配对事件数目,；表示真空态配对事件数
目；表示z基矢下配对的发送数，，，表示第一发送端和第二发送端的诱骗态信号光脉冲强度，表示第一发送端和第二发送端的信号态信号光脉冲强度；得到z基矢下，单光子对事件数量的期望值的下限为：再使用切尔诺夫限制公式，将期望值变换为观测值；s2：用表示z基矢下配对通过的增益，利用得到的值，计算出事件数量下限：再使用切尔诺夫限制公式，将期望值变换为观测值；s3：计算x基矢下配对成功的单光子对的期望值下限为：使用切尔诺夫限制公式，将期望值变换为观测值；s4：用表示x基矢下配对通过的增益，表示x基矢下配对通过的增益，表示真空态配对通过的增益，分别用、、先得到的值，再计算对应匹配事件错误数的上限或下限：
其中，表示x基矢下配对的错误计数总和期望值下限，表示x基矢下配对的错误计数总和期望值下限，表示真空态配对的错误计数总和期望值上限；使用切尔诺夫限制公式，将期望值变换为观测值；最后利用x基矢的比特错误总数和真空态造成的错误数和得到x基矢单光子错误数上限：得到x基矢单光子错误数上限：表示x基矢下配对的错误计数总数；则x基矢单光子错误率上限为：s5：利用和随机不放回取样公式，得到相位错误率上限：：为随机不放回取样带来的统计涨落项，为失败概率系数，期望值和观测值之间的转换可以由切尔诺夫限制和逆切尔诺夫限制给出上下限。
9.进一步的，所述步骤（5）中经典纠错泄漏信息量至多为，其中为z基矢事件数量，为纠错效率，为二进制香农熵，其为，为z基矢的比特错误率，在进行错误验证和隐私放大后得到安全密钥：其中，为后处理过程中的失败概率系数。
10.本发明的有益效果：本发明通过预处理移去部分强度数据及使用最优配对为最近邻配对的方式提高了配对效率，使实施过程中相位错误率接近理论最低值，从而提高了成码率；同时，本发明可以用于不需要相位锁定和相位跟踪技术而打破传统成码率线性极限的异步量子密钥分发实验，并且该密钥分发方法的安全性证明表明其可以抵抗相干攻击。
附图说明
11.图1为本发明量子密钥分发系统示意图；图2为z基矢配对过程示例图；图3为本发明与现有量子密钥分发协议之间的比较图。
具体实施方式
12.下面结合附图和实施例对本发明做进一步描述：本发明针对异步匹配的测量设备无关协议进行后匹配和参数估计的过程做出了创新性设计，具体的是我们通过预处理对部分强度信号进行了移去处理，并通过最优配对为最近邻配对的方式，能够在实际实施中完成高效配对，使得相位错误率接近理论最低值，用本发明提出的方法相比没有预处理的异步匹配测量设备无关量子密钥分发方法会得到更高的安全码率结果。
13.实施例1本实施例利用本发明提出的优化配对方式的异步匹配测量设备无关量子密钥分发的方法实现了三强度异步匹配的量子密钥分发过程。执行该方法的系统如图1所示，包括第一发送端、第二发送端和测量端，第一发送端和第二发送端由激光器和编码器组成，测量端用50/50分束器和两个超导纳米波段单光子探测器进行光子干涉测量。发送端和测量端之间由用极低损耗的光纤制成的量子信道连接。
14.发送端的激光器是中心波长为1550.12nm、短线宽的连续波超稳定激光器，编码器由几个强度调制器和几个相位调制器组成，使得发送端具备制备不同光强的光脉冲信号和进行相位随机化及相位编码。编码器最后的可变光衰减器使得光信号达到单光子水平。
15.本发明一种优化配对的测量设备无关量子密钥分发方法，包括以下步骤：（1）制备：第一发送端和第二发送端均随机制备不同光强的弱相干态量子信号光脉冲通过量子信道发往测量端，这些信号光脉冲均进行相位随机化和相位编码操作；其中，制备具体为：在每个时间窗口t，第一发送端和第二发送端分别选择随机相位和随机经典比特来制备弱相干态量子信号光脉冲，第一发送端制备的弱相干态量子信号光脉冲表达式为，第二发送端制备的弱相干态量子信号光脉冲表达式为，其中，为正整数，为虚数单位，，分别为第一发送端和第二发送端制备的量子信号光脉冲光强，，；第一发送端和第二发送端将
光强的脉冲作为真空态量子信号光脉冲，代表真空态信号光脉冲强度；将光强的脉冲作为信号态量子信号光脉冲，代表信号态信号光脉冲强度；将光强的脉冲作为诱骗态量子信号光脉冲，代表诱骗态信号光脉冲强度；（2）测量：测量端对接收到的第一发送端和第二发送端的量子信号光脉冲进行干涉测量，当有且仅有第一探测器和第二探测器中的一个探测器响应时，记为一个成功事件；同时，测量端记录做出响应的探测器；测量端还测量出第一发送端和第二发送端在每个时间窗口t内的由激光器频率差和信道长度漂移引起的相位噪声差，记为；（3）后匹配：对于每一个成功事件，当第一发送端和第二发送端中任意一方选择诱骗态量子信号光脉冲时，即选择诱骗态光强或来制备量子信号光脉冲，则两个发送端均公布各自的光强、相位信息以及经典比特值，也就是公布这一成功事件对应的脉冲在制备时的光强、相位信息和经典比特值；并且在记录下所有的成功事件后，第一发送端和第二发送端根据最近邻配对规则，得到x基矢和z基矢下成功配对的脉冲对，根据x基矢和z基矢下成功配对的脉冲对，分别生成x基矢下的比特值和z基矢下的比特值；其中，第一发送端和第二发送端根据最近邻配对规则，得到x基矢和z基矢下成功配对的脉冲对的具体过程为：首先，采用来表示每一个成功事件中第一发送端和第二发送端选择量子信号光脉冲的光强，，；然后第一发送端和第二发送端将光强为和的事件抛弃，再进行剩余成功事件的配对；用表示在配对的两个成功事件中所对应的配对时刻下，第一发送端、第二发送端选择量子信号光脉冲的光强之和；接着，定义三类初始配对的事件满足条件：1）在z基矢下初始配对的事件是满足光强之和的成功事件；2）在x基矢下初始配对的事件是满足光强之和的成功事件，同时满足光强之和的成功事件，还需满足或者，其中，是在第个时间窗口的相位噪声差，，是在第个时间窗口的相位噪声差；3）真空态初始配对的事件是光强之和满足的成功事件；
对满足初始配对条件的所有成功事件进行配对，配对过程如下：步骤a1：定义任一成功事件为第一配对事件，第一配对事件寻找该事件后时间间隔最短的第二配对事件进行配对，且第一配对事件和第二配对事件中第一发送端、第二发送端选择量子信号光脉冲的光强之和满足或或；若存在满足的第二配对事件则进行步骤a2，若不存在满足的第二配对事件则舍弃第一配对事件，重新定义另一成功事件为第一配对事件，返回步骤a1重新寻找第二配对事件，直至没有要配对的成功事件；步骤a2：存在满足的第二配对事件则进行配对时间判断，当第一配对事件与第二配对事件进行配对的时间大于，则舍弃第一配对事件，令第二配对事件为新的第一配对事件返回步骤a1重新寻找新的第二配对事件；当第一配对事件与第二配对事件进行配对的时间小于等于，则保留第一配对事件与第二配对事件，保留的第一配对事件与第二配对事件为最终的成功配对事件，其中为预先设置的配对时间值；若最终的成功配对事件中第一配对事件与第二配对事件的第一发送端、第二发送端选择量子信号光脉冲的光强之和满足，则成功配对事件为z基矢下的成功配对事件，其所对应的脉冲对为z基矢下成功配对的脉冲对；若最终的成功配对事件中第一配对事件与第二配对事件的第一发送端、第二发送端选择量子信号光脉冲的光强之和满足，则成功配对事件为x基矢下的成功配对事件，其所对应的脉冲对为x基矢下成功配对的脉冲对；若最终的成功配对事件中第一配对事件与第二配对事件的第一发送端、第二发送端选择量子信号光脉冲的光强之和满足，则成功配对事件为真空态下的成功配对事件，其所对应的脉冲对为真空态下成功配对的脉冲对。
16.也就是说，对于某一成功事件进行配对时，总是寻找时间间隔最短、最近邻的，且与其满足初始配对条件的另一成功事件；若在时间内没有满足初始配对条件的另一成功事件，则舍弃该成功事件数据；如图2所示，举例说明，假设z基矢下只有三个成功事件a、b和c，首先定义a成功事件为第一配对事件，b成功事件为满足的第二配对事件，因为，但是a成功事件与b成功事件之间的配对时间大于，则舍弃第一配对事件a成功事件，令第二配对事件b成功事件为新的第一配对事件，b成功事件为第一配对事件，c成功事件为满足的第二配对事件，因为，b成功事件与c成功事件之间的配对
时间小于，则保留b成功事件与c成功事件，b成功事件与c成功事件为最终的成功配对事件，其所对应的脉冲对为成功配对的脉冲对。
17.根据x基矢和z基矢下成功配对的脉冲对，分别生成x基矢下的比特值和z基矢下的比特值的具体过程为：在x基矢下成功配对的脉冲对中，第一发送端和第二发送端找出都选择诱骗态光强制备量子光脉冲的脉冲对，即的脉冲对，可用于产生x基矢下的比特值。产生过程为：第一发送端计算、第二发送端计算来得到x基矢下的经典比特，并且当以及两次响应是同一探测器响应，或者以及两次响应是不同探测器响应时，第二发送端选择反转自己计算的比特值；在z基矢下成功配对的脉冲对中，第一发送端找出脉冲对中一次选择发送信号态光强的脉冲，一次选择发送真空态光强的脉冲，记录下对应的时间窗口，，可用于产生z基矢下的比特值。产生过程为：当第一发送端先发送信号态光强的脉冲，后发送真空态光强的脉冲，即其光强选择的先后顺序为时，第一发送端记录比特值1；当第一发送端先发送真空态光强的脉冲，后发送信号态光强的脉冲，即其光强选择的先后顺序为时，第一发送端记录比特值0；之后第一发送端公布脉冲对对应的时间窗口，第二发送端根据时间窗口找出对应时间窗口的光强，当第二发送端先发送真空态光强的脉冲，后发送信号态光强的脉冲，即其光强选择的先后顺序为时，第二发送端记录比特值1；当第二发送端先发送真空态光强的脉冲，后发送信号态光强的脉冲，即其光强选择的先后顺序为时，第二发送端记录比特值0；当第二发送端的光强选择为时，即，则第二发送端公布这一事实，不产生z基矢下的比特值。
18.在配对后，第一发送端和第二发送端公布那些配对中自己选择发送的光强之和为0，即满足，第一发送端公布对应脉冲对；满足，第二发送端公布对应脉冲对。
19.由于配对之前，当第一发送端和第二发送端中任意一方选择诱骗态量子信号光脉冲时，即选择诱骗态光强或来制备量子信号光脉冲，则两个发送端均公布各自的光强、相位信息以及经典比特值；配对之后第一发送端和第二发送端可以得到z基矢下的成功配对事件数目，分别用表示，x基矢下的成功
配对事件数目，分别用表示，真空态配对事件数目，用表示；（4）参数估计：第一发送端和第二发送端随机公布z基矢下的比特值用于计算z基矢比特错误率，公布x基矢下的比特值用于计算x基矢的比特错误总数，利用诱骗态方法进行参数估计；利用诱骗态方法进行参数估计的具体过程为：s1：第一发送端和第二发送端通过诱骗态方法计算出单光子响应率的期望值的下限：其中，*表示期望值，上下横线分别表示上下限，表示z基矢下成功配对事件数目，；表示x基矢下成功配对事件数目,；表示真空态配对事件数目；表示z基矢下配对的发送数，，，表示第一发送端和第二发送端的诱骗态信号光脉冲强度，表示第一发送端和第二发送端的信号态信号光脉冲强度；由此得到z基矢下，单光子对事件数量的期望值的下限为：再使用切尔诺夫限制公式，将期望值变换为观测值；s2：用表示z基矢下配对通过的增益，利用得到的值，计算出该事件数量下限：再使用切尔诺夫限制公式，将期望值变换为观测值；s3：计算x基矢下配对成功的单光子对的期望值下限为：
使用切尔诺夫限制公式，将期望值变换为观测值；s4：用表示x基矢下配对通过的增益，表示x基矢下配对通过的增益，表示真空态配对通过的增益，分别用、、先得到的值，再计算对应匹配事件错误数的上限或下限：其中，表示x基矢下配对的错误计数总和期望值下限，表示x基矢下配对的错误计数总和期望值下限，表示真空态配对的错误计数总和期望值上限；使用切尔诺夫限制公式，将期望值变换为观测值；最后利用x基矢的比特错误总数和真空态造成的错误数和得到x基矢单光子错误数上限： 表示x基矢下配对的错误计数总数；则x基矢单光子错误率上限为：
s5：利用和随机不放回取样公式，得到相位错误率上限：：为随机不放回取样带来的统计涨落项，为失败概率系数，期望值和观测值之间的转换可以由切尔诺夫限制和逆切尔诺夫限制给出上下限。
20.（5）后处理：根据参数估计的结果来对z基矢的比特值进行经典纠错，错误验证和隐私放大，得到最终密钥；经典纠错泄漏信息量至多为，其中为z基矢事件数量，为纠错效率，为二进制香农熵，其为，为z基矢的比特错误率，在进行错误验证和隐私放大后得到安全密钥：其中，为后处理过程中的失败概率系数。
21.如图3所示，采用本发明的方法可用于实现不需要相位锁定和相位跟踪技术而打破传统成码率线性极限的异步量子密钥分发实验，其安全码率能在远距离突破成码率线性边界，且相比没有预处理的匹配方法有进一步优化，其成码率明显高于现有的异步匹配量子密钥分发方法的成码率。