[发明专利]一种适用于QKD中私钥放大的最优输入码长处理方法及单元

说明书

本发明提供了一种适用于QKD中私钥放大的最优输入码长处理方法，接收误码纠错后的数据，根据私钥放大的压缩比计算接收到数据的处理码长，并判断处理码长度是否为2的幂，若是，则直接输出接收到的数据进行私钥放大；若不是，则对接收到的数据进行处理，输出最优码长至私钥放大，使得私钥放大的处理码长为2的幂。本发明通过在误码纠错和私钥放大过程之间增加一个最优输入码长处理过程，在不损坏原输入的情况下，使得私钥放大的处理码长为2的幂，一方面大幅度提升了私钥放大的性能，另一方面也保障了整个系统的性能。

技术领域

本发明涉及量子通信领域，特别涉及一种适用于QKD中私钥放大的最优输入码长处理方法及单元。

背景技术

随着量子物理和量子信息论的发展，一种具有信息论可证安全性的通信方式——量子保密通信随之成为目前的研究热点。其中，量子密钥分发(Quantum KeyDistribution,QKD)技术可以为异地通信双方实时产生并分发一组具有信息可证安全性的密钥，再结合“一次一密”或AES等对称加密即可保证通信的安全性。QKD主要包括离散变量和连续变量两大技术途径，其中连续变量量子密钥分发(Continuous Variable QuantumKey Distribution,CV-QKD)采用光场的正交分量作为信息的载体，中短传输距离内安全码率高，且可与传统光通信的大部分器件通用，具有较好的发展前景。

QKD系统包括量子信息的产生、传输和数据后处理，其整体框图如图1所示。A端首先通过量子信道向B端发送量子信号，B端对信号进行探测接收。通过经典信道上的数据后处理过程，A和B得到一致的安全密钥，最后分别将其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，数据后处理是获取安全密钥必不可少的一部分，极大地影响系统整体的安全性和密钥生成速率。数据后处理的流程图如图2所示，主要包括基比对、参数估计、误码纠错和私钥放大等几个步骤：首先B端将探测信号时采用的测量基数据通过经典信道发送给A，A接收该数据后选出一致的正交分量，基比对完成后A和B分别得到了原始密钥；然后A和B需要从原始密钥中随机选出部分数据来进行参数估计，从而计算出密钥分发过程中的部分关键参数，并判断是否继续此次通信；除去做参数估计的剩余数据进行误码纠错，完成纠错过程后A和B得到了理论上一致的原始随机数，通常称为原始密钥，但是原始密钥不能直接用于信息传输的加密，因为其中可能包含被窃听者掌握的部分；而私钥放大的作用是将误码纠错后得到的一组一致但不安全的原始密钥进行压缩，以去除其中被窃听者获取的部分，从而使密钥的安全性得以保障。

在实际的QKD系统实现中，有限码长效应是一个不得不考虑的因素。假设x和y分别是A和B测量后的密钥，E为窃听者Eve的量子态，考虑有限码长效应时的最终密钥率为：

其中N为原始密钥的总长度，n为总数据量减去参数估计中公开的数据量；β是协调效率；I(x:y)是A和B间的香农信息熵；是有限码长效应下B和E间的互信息量上界；Δ(n)为私钥放大中有限码长效应在安全性上的影响，其表达式为：

其中dimΗ_x表示密钥x的Hilbert空间维度；为平滑参数；ε_PA表示私钥放大失败的可能性；n为私钥放大输入的长度。

对上述公式进行分析后不难发现，为了减少有限码长效应的影响，私钥放大的输入码长应该足够长，例如50km光纤信道下的CV-QKD系统，要求进行私钥放大的数据长度要求至少为10⁸。但在私钥放大的实现过程中，面临计算资源有限的问题，而且大量的数据处理会导致性能降低，从而影响整个系统的性能。在这种情况下，私钥放大的处理效率尤为重要。