[發明專利]一種用于量子密鑰生成系統的實時位同步修正方法

有效

• 申請號: 201910095228.6
• 申請日: 2019-01-31
• 公開（公告）號: CN111510284B
• 公開（公告）日: 2021-07-02
• 發明（設計）人: 張立華;李鎮
• 申請（專利權）人: 北京中創為南京量子通信技術有限公司;北京中創為量子通信技術有限公司
• 主分類號: H04L9/08
• 分類號: H04L9/08;H04B10/70
• 代理公司: 南京縱橫知識產權代理有限公司 32224
• 代理人: 董建林

本申請提供一種用于量子密鑰生成系統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，實現實時位同步修正。①讀取探測器實時計數值及實時延時值，獲取延時效率關系、單位時間最大計數值及對應的最佳延時值；②判斷是否啟動實時位同步過程；③計算各探測器位同步延時搜索范圍和所需搜索的延時值；④延時控制單元調節各探測器的延時值；⑤探測器計數；⑥位同步處理單元判斷是否完成位同步延時搜索范圍的搜索，未完成則回到第四步；⑦位同步處理單元根據計數得到各探測器進行探測的最佳延時值，并把最佳延時值發送給延時控制單元，延時控制單元據此控制各探測器的延時設置，實現實時位同步修正。

技術領域

本申請涉及量子通信領域，具體涉及一種量子密鑰生成系統的實時位同步修正方法。

背景技術

進入二十一世紀以來，隨著互聯網的全面推廣，全球信息化水平持續提升，政府、國防、企業、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，顛覆性地破壞了基于計算復雜度的經典密碼學協議的基礎。

而近年來，量子密鑰分發(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推出了商用化的量子密鑰分發產品。

在量子密鑰分發系統中，發射端通過對量子信號(光子)進行編碼后通過量子信道發送至接收端。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，量子密鑰分發系統才可以進行后續的協商處理過程產生安全密鑰。

發明人在本申請的研究過程中發現，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境的影響而發生變化，特別是環境溫度發生變化時，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，探測計數隨之降低，量子密鑰分發系統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：隨著環境溫度的變化，光纖的長度和折射率均會發生變化，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，ξ為折射率溫度系數。

對于熔融石英光纖，線性膨脹系數α＝5.5×10^-7/℃，折射率溫度系數ξ＝n_eff×0.68× 10^-5/℃，那么根據上述公式計算可知：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的量子信道長度為100km的量子密鑰分發系統，光子傳輸時間的變化最大可以達到30000ps。(根據中國氣象局天氣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的穩定運行，需要在量子密鑰生成系統在工作過程中根據外部環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，還可以通過波長優選方案以降低外部環境對量子密鑰生成系統的影響。

目前的中斷式位同步修正的解決方案為:當探測器計數出現明顯降低時(例如：當前探測器計數小于探測器計數最大值的50％)，會導致系統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已經無法正常工作，需要停止量子密鑰生成系統的密鑰生成流程，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的密鑰生成流程。