[发明专利]一种用于多自由度调制QKD的密钥协商方法

说明书

本发明公开了一种用于多自由度调制QKD的密钥协商方法，同时用于提高处理速率和协商效率，属于量子通信技术领域。本发明包括：协商端和发送端在经典信道中建立连接；发送端向协商端发送初始误码率；协商端进行判断：当误码率高于预先设定的安全阈值时暂停通信，当误码率低于预先设定的安全阈值时输入所持密钥串K_Sb进入编码单元；协商端编码单元输出拓展后的校验子K_c发送给发送端；发送端输入所持密钥串K_Sa及接收到的校验子进入译码单元；发送端译码单元输出密钥串，至此双方得到一致的密钥串。

技术领域

本发明涉及量子保密通信以及光纤通信领域，具体涉及一种用于多自由度调制QKD的密钥协商方法。

背景技术

密码技术是信息安全技术的核心。随着现代技术的飞速发展，不仅通信信息量呈指数爆炸增长，通信环境也越来越复杂，因此，通信安全的问题渐渐凸显，保密通信成为研究的热点。对于经典密码学以及在其基础上发展起来的现代密码学，其安全性都是基于数学复杂度的，然而计算能力强大的量子计算机的出现，使其安全性面临着巨大威胁。结合了量子密钥分发(Quantum Key Distribution,QKD)技术和一次一密(One Time Pad,OTP)密码体制，融合了量子密码和经典密码的量子保密通信技术作为量子信息领域最为成熟和实用化的技术受到学术界、产业界越来越多的研究和关注。

QKD系统由量子密钥分发部分和后处理部分组成。由于信息载体、通信距离、协议设计等因素的不同，输入到后处理模块的原始码的特点也不尽相同。因此在给定原始码序列时，如何通过合理的QKD后处理系统使得密钥分发速率最大成为亟待解决的问题。密钥协商是QKD后处理系统中最受关注的环节，对此过程的算法研究成果层出不穷。

1992年Bennett等提出第一个密钥协商算法——BBBSS协议，基于二分搜索法和奇偶校验码实现纠错。1993年Brassard等提出Cascade协议，该协议是BBBSS协议的改进，在其产生数据基础上分组储存用于下一轮纠错，提升了协商效率。上述两种密钥协商方案，以及在此基础上的各种优化方案还有后续Buttler等人发布的Winnow协议等均存在交互次数较多的问题，从而导致网络消息等待时间长。为解决这个问题，研究者们提出了交互次数较少的基于前向纠错的协商算法。其中，由于低密度奇偶校验码(Low Density Parity Check,LDPC)的纠错性能逼近香农限，且存在适合硬件实现的译码算法而被广泛使用。LDPC码对于量子误码率非常敏感，针对某一量子误码率设计的LDPC码只在以该量子误码率为中心的一个很窄的范围内具有良好的性能。所以，在实际应用中，对于量子误码率变化范围较大的情况，需要预先设计几种不同纠错能力的校验矩阵才能适应误码率的变化，针对这一问题，Elkouss等提出了自适应的LDPC密钥协商算法，随后又提出了盲协商协议，以小幅度的纠错性能下降为代价，大大降低了资源消耗量。

基于双速协议的多自由度调制QKD方法实现了将BB84协议的内禀光子利用率由0.5提高到了2，具有极高的理论意义和实用价值。一方面，出于该QKD方法的独特性其对后处理的要求与传统QKD有较大的差异；另一方面随着QKD系统工作频率越来越高，QKD在经典信道上交互的数据量大大增加，设计合适的且具有高速处理速率的密钥协商算法对于提升多自由度调制QKD后处理系统的性能以及实现其工程化具有重要的意义。

在现有技术中，中国专利公开号CN106685655B提出了一种相位偏振多自由度调制QKD的物理系统网络，该专利未涉及密钥协商方法的研究；

中国专利公开号CN111200493A提出了一种相位偏振联合调制QKD的后处理系统和方法，该专利提出信息交互单元、参数估计单元、纠错单元、保密放大单元的连接方式和信息交互方式，但未涉及具体密钥协商(纠错单元)内部系统和方法的研究。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述相关技术中的技术问题。