[发明专利]一种适用于CV-QKD系统数据后处理的级联译码方法

说明书

本发明涉及通信安全领域，本发明公开了一种适用于CV‑QKD系统数据后处理的级联译码方法，采用长码长编码与中短码长编码相结合的方式，首先利用长码长编码纠错，以在较少的迭代次数内快速将错误数量降低到预设门限值内，然后减小纠错编码的长度，对所有的比特进行重新分组并基于校验函数对收发双方分组的码字进行校验，对校验结果不一致的码字分组，采用中短码长编码纠错，最终纠正所有的错误，完成译码。本发明充分结合了不同码长编码技术的优势，在保障纠错成功率的同时还提升了纠错速率，从而保证了CV‑QKD系统的整体性能。

技术领域

本发明涉及通信安全技术领域，尤其涉及一种适用于CV-QKD系统数据后处理的级联译码方法。

背景技术

随着量子计算技术的发展，基于计算复杂度的经典密码体系面临重大的安全隐患。量子密钥分发(Quantum Key Distribution，QKD)是一种基于量子物理原理的密钥分发系统，具有无条件安全性，引起了广泛的关注与研究。连续变量量子密钥分发(ContinuousVariable Quantum Key Distribution,CV-QKD)采用光场的正交分量作为信息的载体，大部分器件与经典相干光通信通用，与传统光通信网络兼容性好，具有良好的发展前景。当前的CV-QKD系统主要基于GG02协议实现，即高斯调制相干态传输协议，系统发送端通过对量子态光信号的两个正交分量进行调制来完成高斯随机变量密钥信息的加载。

对于CV-QKD系统，微弱量子信号经过长距离光纤传输后，信噪比非常低，导致密钥分发的发送方和接收方的原始数据误码率非常高，必须通过数据后处理才能获得一致的密钥。后处理的速率和效率将极大影响CV-QKD系统的整体性能，是目前CV-QKD系统的主要瓶颈，其中又以极低信噪比下的数据协商纠错最为关键。

在CV-QKD系统中，信息承载在连续变量上，合法的通信双方通过数据筛选后得到的也是连续变量，而不是二进制比特。因此，通常先通过数据协商算法，将连续变量转化为离散形式，然后再基于离散形式的数据通过采用特定的信道编码来进行误码纠错，使通信双方的比特序列达到一致。

目前一般采用多维协商算法将连续变量转化为离散形式的数据，多维协商算法并没有像传统的做法首先将连续变量数据量化成离散值进行纠错，而是直接使用连续变量进行协商。多维协商的核心思想是将非均匀的高斯分布的变量空间，通过映射，转化为均匀分布的变量空间，并且在这个均匀分布的空间中，选择先验概率均匀分布的码字子空间。这样，随机变量和码字分布都是均匀分布，当共享密钥双方传输关于码字的边信息时，无法得到额外的相关信息量，同时能够充分利用原始数据之间的相关性，可以较为理想地解决数据离散化问题。

而在离散形式数据的纠错阶段，由于数据信噪比极低，传统的信道编码技术已经不再适用，现有的CV-QKD系统中一般采用多边型低密度奇偶校验(LowDensityParityCheck，LDPC)进行纠错编码。多边型LDPC码于2004年首次被提出，在各种传输长度和码率下都有很好的纠错性能。在CV-QKD系统中，一方面通过设计码率较低的多边型LDPC纠错矩阵，可以保障数据协调效率，进而保障系统安全码率；另一方面通过提升多边型LDPC矩阵的纠错码长，可以综合获取更多的码字信息，从而提升纠错成功率。

CV-QKD系统的整体流程如图1所示。首先发送端基于信号发送模块将量子信号光经量子信道发送至接收端，接收端基于信号接收模块对量子信号光进行探测接收。然后发送端和接收端进入到数据后处理阶段，通过在经典信道进行部分数据交互完成数据后处理，从而使发送端和接收端获取一致的最终密钥。最后发送端和接收端分别将最终密钥输出到各自的密钥应用服务模块，进行后续的密钥存储、信息加密等。

其中，数据后处理是CV-QKD的关键步骤，当前的数据后处理流程如图2所示，主要包括基比对、参数估计、数据协商、误码纠错和私钥放大等几个步骤：