[发明专利]一种量子密钥分发系统及方法

说明书

本发明提供了一种量子密钥分发系统及方法。其中的系统包括：发送装置和接收装置；发送装置向接收装置随机发送预先约定的两种非正交的量子态和|φ＞；丢弃测量结果为空、或|φ＞所对应的数据；接收装置随机使用所述两组测量基中的一组测量基对所接收的量子态进行测量，得到测量结果；将测量结果不是空、和|φ＞的数据位置的信息发送给发送装置，并丢弃测量结果为空、或|φ＞所对应的数据；发送装置和接收装置根据留下来的预设部分的数据进行参数估计，得到误码率；当误码率不大于预设阈值时，进行纠错并进行隐私放大，得到密钥。应用本发明可以只需使用两种非正交的量子态即可进行安全的量子密钥分发，降低了设备成本，提高了密钥率。

技术领域

本申请涉及量子信息技术领域，尤其涉及一种量子密钥分发系统及方法。

背景技术

随着互联网技术的蓬勃发展，通讯安全的重要性与日俱增。在众多场合下，通讯双方希望在利用公共信道的情况下进行保密通讯。例如，当用户向网上银行提交账号和密码的时候，用户希望这些信息在传递过程中是保密的，即任何第三方都无法窃听。当前广泛使用的加密方法是公钥加密算法。此类算法基于某些数学问题的算法复杂度，随着科技的发展，他们的安全性受到威胁。因此，我们亟需开发更加安全可靠的加密方法。

量子密钥分发技术是基于量子力学特性的全新的密钥分发方案，是量子信息技术中最有应用前景的技术之一。该技术借用公共信道使得通讯双方之间共享安全的随机密钥。结合一次一密的加密方法，共享的随机密钥可以用来对通讯中的信息进行加密，从而保证通讯安全。量子密钥分发的安全性基于物理学基本原理，因此是信息论安全的。

目前，现有技术中已经提供了一些商用的量子密钥分发系统，这些系统大部分基于BB84协议。系统分为发送装置和接收装置。在BB84协议中，用来传输密钥的量子信号源是单光子，其所需传输的密钥信息是编码在单光子的偏振态(或极化方向)上的。发送装置将信息编码在四种不同的量子态|0、|1、|+、|-上。在硬件层面上，上述四种量子态可以由光子的不同自由度来编码实现。例如，在使用偏振编码时，可以选择沿水平方向、垂直方向、45°以及135°方向的线性偏振的单光子作为量子信息的载体，处于上述四种方向的偏振状态的单光子可以分别用|0、|1、|+、|-等四个量子态来表示；同理，在使用相位编码时，可以用光子两个相干波包之间的四个相位值来代表四种量子态|0、|1、|+、|-。

其中，在上述的四种量子态中，|0和|1相互正交，因此可组成一组测量基，称之为直测量基(简称Z基，下同)，|0态和|1态是Z基的两个本征态；|+和|-也相互正交，因此可组成另一组测量基，称之为斜测量基(简称X基，下同)，|+态和|-态是X基的两个本征态。

上述的四种量子态之间的关系如下：

为了传输经典信息，BB84协议将一个光子制备在上述的四个量子态上，并约定每个量子态所代表的编码信息。例如，在BB84协议中，通过光的偏振，从而对光子进行编码，以等概率随机编码在Z基和X基上。发送方随机产生一串由0、1比特组成的数串，当选择在Z基下进行编码时，发送方将0编码成|0，将1编码成|1；而当选择在X基下进行编码时，发送方将0编码成|+，将1编码成|-。然后，发送方通过量子信道将上述的量子态发送给接收方，接收方以等概率使用X基或Z基测量从发送方发出的量子态；接着，发送方和接收方在被鉴定的经典信道中公布各自在进行编码或测量时所选择使用的测量基，从而筛选出双方选择了相同的测量基进行编码或测量时的编码数据，作为所传输的密钥信息。

因此，在执行上述BB84协议时，发送装置需要对上述四种量子态进行随机发射。为此，硬件实现上一般有两种方法：一种是采用一台激光器，并对其发射出来的光进行(偏振、相位等自由度)快速调制；另一种是使用四台激光器(如图1所示)，每台激光器固定发送一种量子态，配合一个光开关将四路光复用到一个信道上。