[發明專利]基于標記配對相干態和量子存儲的量子密鑰分配方法

在審

• 申請號: 201911042193.6
• 申請日: 2019-10-30
• 公開（公告）號: CN110768794A
• 公開（公告）日: 2020-02-07
• 發明（設計）人: 何業鋒;楊紅娟;王登;李春雨
• 申請（專利權）人: 西安郵電大學
• 主分類號: H04L9/08
• 分類號: H04L9/08
• 代理公司: 61216 西安恒泰知識產權代理事務所
• 代理人: 黃小梧

本發明公開了一種基于標記配對相干態和量子存儲的密鑰分配方法，在標記配對相干態下，通過在兩側信道添加量子存儲器，并結合軌道角動量編碼以實現長距離MDI?QKD協議。在本發明中，用標記配對相干光源代替弱相干光源，增加了單光子脈沖比例，因此提高了測量設備無關量子密鑰分配的安全密鑰生成率且降低了比特誤碼率。其次，考慮到，通信雙方在信道傳輸中存在傳輸損耗會降低安全傳輸距離，添加量子存儲器后，降低了信道傳輸損耗，實現了長距離安全密鑰傳輸，且量子退相干效應對密鑰生成率影響不大。最后，利用軌道角動量編碼代替偏振編碼，解決了量子密鑰分配中基的依賴性問題，進一步提高了安全密鑰生成率且降低了比特誤碼率。

技術領域

本發明涉及量子密鑰分配方法，具體涉及一種基于標記配對相干態和量子存儲的密鑰分配方法。

背景技術

量子密鑰分發(Quantum Key Distribution,QKD)的安全性基于量子力學基本原理，結合“一次一密”密碼體制可以實現無條件安全的保密通信。因此，作為新的信息保護技術受到廣泛關注。然而，建立實際的QKD系統所采用的光學和電學設備可能存在與理論要求不符的非理想特性，攻擊者很容易操控非理想的光源和探測設備對QKD協議的實現過程進行攻擊。例如，針對光源非理想特性的光子數分裂攻擊和相位部分隨機化攻擊；針對探測器非理想特性的偽態攻擊、時移攻擊和致盲攻擊等。鑒于在QKD系統中，攻擊者的大多數攻擊是針對探測器漏洞的攻擊，Lo等人在2012年提出了測量設備無關量子密鑰分發(Measurement Device Independent QKD,MDI-QKD)。在該協議中，通信雙方將光脈沖發送至非可信的第三方進行Bell態測量，來提取安全密鑰。由于MDI-QKD協議的測量過程在第三方進行,故能夠有效地解決QKD系統中所有針對探測器漏洞的攻擊，且將通信距離延長為原來的兩倍。MDI-QKD協議可以使用低探測效率的光學元件和高損耗信道實現。并且，系統還可以結合誘騙態技術來規避針對非理想光源的攻擊。因此，MDI-QKD研究可以使量子密鑰分發更快地從理論研究進入實際應用。

C.Panayi,M.Razavi,X.F.Ma and N.Lütkenhaus在論文“Memory-assistedmeasurement-device-independent quantum key distribution”(New Journal ofPhysics，2014,16:043005)中，在協議中引入量子存儲器，提出了基于弱相干光源的測量設備無關量子密鑰分配協議。協議的具體步驟是：第一，Alice和Bob利用弱相干光源分別發送相干光脈沖。第二，兩束相干光脈沖分別經過偏振調制器進行偏振編碼。第三，在第三方進行測量前,Alice和Bob發送的脈沖信號分別送入兩個量子存儲器，進行光子偏振態與存儲量子比特的轉化。第四，第三方Charlie進行貝爾態測量(BSM)，并公布測量結果。第五，Alice和Bob根據公布的的結果進行基對比過程，可以得出安全密鑰生成率公式。該協議仍存在不足之處是：(1)本協議使用的弱相干光源，該光源的單光子數分布較低而多光子數較高，因此降低了協議的安全密鑰生成率。(2)該方案中Alice和Bob對光脈沖采用了偏振編碼，而偏振編碼后的光束均會受到基的依賴性影響。即在基的制備和測量階段，通信雙方需要實時地對參考系進行檢測和調整，這會使密鑰生成率受到一定的影響。因此，該協議的密鑰生成率和最大傳輸距離仍偏低，有待進一步提高。