[發(fā)明專利]一種用于量子密鑰生成系統(tǒng)的實時位同步修正方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910095210.6
• 申請日: 2019-01-31
• 公開（公告）號: CN111510283B
• 公開（公告）日: 2021-04-23
• 發(fā)明（設計）人: 張立華;李鎮(zhèn)
• 申請（專利權）人: 北京中創(chuàng)為南京量子通信技術有限公司;北京中創(chuàng)為量子通信技術有限公司
• 主分類號: H04L9/08
• 分類號: H04L9/08;H04B10/079;H04B10/70
• 代理公司: 南京縱橫知識產(chǎn)權代理有限公司 32224
• 代理人: 董建林

本申請?zhí)峁┮环N用于量子密鑰生成系統(tǒng)的實時位同步修正方法，該方法利用多個局域延時值測量獲取探測器最佳延時值，通過延時控制單元調控，實現(xiàn)實時位同步修正。主要步驟包括：①設定每個探測器計數(shù)的計數(shù)積累時間,記錄并更新各探測器單位時間最大計數(shù)值；②計算各探測器的位同步修正延時搜索范圍和所需搜索的延時值；③延時控制單元調節(jié)各探測器的延時值；④探測器計數(shù)；⑤位同步處理單元判斷是否完成位同步修正延時搜索范圍的搜索，未完成則回到第四步；⑥位同步處理單元根據(jù)計數(shù)得到各探測器的最佳延時值，并把最佳延時值發(fā)送給延時控制單元，延時控制單元據(jù)此控制各探測器的延時設置，實現(xiàn)實時位同步修正。

技術領域

一種量子密鑰生成系統(tǒng)的實時位同步修正方法，以解決現(xiàn)有技術中由于外部環(huán)境變化，造成量子密鑰生成系統(tǒng)接收端探測計數(shù)降低，從而導致安全密鑰生成速率降低的問題。

背景技術

進入二十一世紀以來，隨著互聯(lián)網(wǎng)的全面推廣，全球信息化水平持續(xù)提升，政府、國防、企業(yè)、個人對信息安全的關注程度日益增強，對信息安全的需求也與日俱增。與此同時信息安全也面臨著越來越嚴重的威脅，特別是于1994年提出的基于量子計算機的Shor算法，顛覆性得破壞了基于計算復雜度的經(jīng)典密碼學協(xié)議的基礎。

而近年來，量子密鑰分發(fā)(QKD，Quantum Key Distribution)技術引起了廣泛的關注，因為其無條件安全性是由量子力學的基本原理所保證。國際上許多科研機構對其理論和應用進行了深入研究，同時一些公司也陸續(xù)推出了商用化的量子密鑰分發(fā)產(chǎn)品。

在量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中，發(fā)射端通過對量子信號(光子)進行編碼后通過量子信道發(fā)送至接收端。常用的量子信道包括光纖和自由空間(即：大氣)。接收端需要確認光子到達的時間，以便使用探測器在正確時刻進行探測，這一過程即為位同步過程。完成位同步過程后，量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)才可以進行后續(xù)的協(xié)商處理過程產(chǎn)生安全密鑰。

發(fā)明人在本申請的研究過程中發(fā)現(xiàn)，探測器進行探測的最佳時刻是隨著時間而變化的。這是因為光子在量子信道的傳輸時間通常受到環(huán)境的影響而發(fā)生變化，特別是環(huán)境溫度發(fā)生變化時，量子信道的長度和折射率也會隨之變化。當光子傳輸時間發(fā)生變化時，探測器進行探測的最佳時刻也隨之變化。使用變化前的“探測最佳時刻”進行探測將會導致探測器的有效探測效率降低，探測計數(shù)隨之降低，量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的安全密碼生成速率也將明顯降低甚至無法正常運行。

以基于光纖的量子信道為例說明如下：隨著環(huán)境溫度的變化，光纖的長度和折射率均會發(fā)生變化，光子的傳輸時間改變量Δt計算如下：

式中，n_eff為折射率，L_eff為光纖長度，ΔTemp為溫度變化量，α為線性膨脹系數(shù)，ξ為折射率溫度系數(shù)。

對于熔融石英光纖，線性膨脹系數(shù)α＝5.5×10^-7/℃，折射率溫度系數(shù)ξ＝n_eff×0.68×10^-5/℃，那么根據(jù)上述公式計算可知：每公里光纖在每攝氏度的溫度改變下，光子傳輸時間的變化約為30ps。那么對于一個運行在北京地區(qū)的量子信道長度為100km的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)，光子傳輸時間的變化最大可以達到30000ps。(根據(jù)中國氣象局天氣2018年10月18日預報結果：多云，13～23攝氏度，東風3～4級。)

為了保證量子密鑰生成系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，需要在量子密鑰生成系統(tǒng)在工作過程中根據(jù)外部環(huán)境的變化調整探測器進行探測的最佳時刻，這一過程稱之為位同步修正過程。目前常見的位同步修正方案為中斷式位同步修正方案。除此以外，還可以通過波長優(yōu)選方案以降低外部環(huán)境對量子密鑰生成系統(tǒng)的影響。

目前的中斷式位同步修正的解決方案為:當探測器計數(shù)值出現(xiàn)明顯降低時(例如：當前探測器計數(shù)值小于探測器計數(shù)最大值的50％)，會導致系統(tǒng)的整體信噪比明顯降低，誤碼率顯著提升，此時量子密鑰生成系統(tǒng)已經(jīng)無法正常工作，需要停止量子密鑰生成系統(tǒng)的密鑰生成流程，啟動位同步流程，完成位同步流程后再次重新啟動量子密鑰生成系統(tǒng)的密鑰生成流程。