一种优化配对的测量设备无关量子密钥分发方法

技术特征：
1.一种优化配对的测量设备无关量子密钥分发方法，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的一种优化配对的测量设备无关量子密钥分发方法，其特征在于：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。3.根据权利要求1所述的一种优化配对的测量设备无关量子密钥分发方法，其特征在于：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。4.根据权利要求3所述的一种优化配对的测量设备无关量子密钥分发方法，其特征在于：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。5.根据权利要求4所述的一种优化配对的测量设备无关量子密钥分发方法，其特征在于：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。
6.根据权利要求5所述的一种优化配对的测量设备无关量子密钥分发方法，其特征在于：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。

技术总结
本发明公开了一种优化配对的测量设备无关量子密钥分发方法，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。全码率结果。全码率结果。


技术研发人员：尹华磊 谢元梅 李明阳
受保护的技术使用者：南京大学
技术研发日：2022.10.27
技术公布日：2022/11/25