[發明專利]一種基于量子存儲器的量子密鑰分發方法

有效

• 申請號: 202010411598.9
• 申請日: 2020-05-15
• 公開（公告）號: CN111600706B
• 公開（公告）日: 2023-06-02
• 發明（設計）人: 王琴;宋小謙;周星宇;張春梅
• 申請（專利權）人: 南京郵電大學
• 主分類號: H04L9/08
• 分類號: H04L9/08
• 代理公司: 南京正聯知識產權代理有限公司 32243
• 代理人: 張玉紅

本發明提供了一種基于量子存儲器的量子密鑰分發方法。該方法通過在密鑰分發系統中的接收端Bob中引入量子存儲器這一量子器件，利用量子存儲器的指示特性標記真空態，降低暗計數的影響，從而降低誤碼率，最終顯著提高了安全碼率和傳輸距離。本發明系統模型簡單，與以往工作相比，在滿足量子密鑰分發安全性的前提下，成功實現了更遠的傳輸距離。

技術領域

本發明涉及量子通信技術領域，尤其涉及一種基于量子存儲器的量子密鑰分發方法。

背景技術

古往今來，為了保證信息的安全性，人們的加密手段不斷的更迭，從手工加密到機器加密。雖然“一次一密”的加密系統可以達到無條件安全，但是通信雙方需要在通信前共享一個與明文等長的密鑰，并且保證密鑰不被第三方竊聽，這本身就和保證明文不被竊聽一樣困難。目前普遍使用的密碼，都只是計算安全性，只能保證密鑰一定時間內的安全。隨著計算機的計算速度不斷的提升和新破譯算法的不斷提出，破譯的時間越來越短，這種計算安全性終究會被打破。尤其是在量子計算機的概念提出后，這種危險越來越明顯。現有的密碼系統將不再安全。針對這一問題，人們利用量子力學的相關定律，提出了量子密碼系統的概念。其基本思想是將量子密鑰分發協議(quantum?key?distribution，QKD)和“一次一密”加密系統相結合。“一次一密”加密系統的安全性直接取決于使用的密鑰是否可以滿足下面要求：生成的密鑰在理論上是真隨機的，以及可以進行足夠長的密鑰安全分發。而QKD的安全性是基于物理原理的，可以理論上得到足夠長且真隨機的密鑰，即使竊聽者擁有無限的計算資源也無法破解密鑰，完全可以滿足“一次一密”加密系統對密鑰分發方法的要求。故無條件安全的密鑰分發方法和無條件安全的加密系統相結合的量子密碼系統可以做到真正的無條件安全性。

QKD經過三十多年的發展已經愈加成熟，其目的就是讓兩個遠距離用戶共享一串安全密鑰。但是在傳輸過程中，除了光源本身存在一定比例的真空態之外，脈沖中的光子會被信道所“吸收”而衰減。隨著傳輸距離越來越長，光子衰減越來越大，測量得到的信號計數也越來減少，暗計數率產生的噪聲在信號計數中所占比例越來越大，最終導致誤碼率越來越高，安全密鑰率越來越小。當傳輸距離超過一定界限時，就無法再生成安全密鑰了。為了解決通信雙方過遠時的通信問題，人們提出的量子中繼和可信中繼的方案，它們的模型都較為復雜，其中量子中繼需要糾纏光源和量子存儲器，而可信中繼中方案的中繼站不僅需要保證是可信任的，還要保證是安全的。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明的目的是提供一種基于量子存儲器的量子密鑰分發方法，通過在密鑰分發系統中的接收端中引入量子存儲器這一量子器件，利用量子存儲器的指示作用來減小暗計數對系統成碼的影響，解決了基于弱相干態光源的量子密鑰分發方法在遠距離傳輸上的限制問題。

本發明提供了一種基于量子存儲器的量子密鑰分發方法，所述方法以偏振編碼為例，包括以下步驟：

步驟一：發送方Alice和接收方Bob首先事先約定好編碼信息：包括Z基下的{0°、90°}、X基下的{45°、135°}。這四種偏振態的對應關系：{0°、45°}代表0，{90°、135°}代表1；

步驟二：Alice以概率P_μ將每個光脈沖調制為強度μ，μ∈{μ₁、μ₂、…、μ_d}，d為強度個數，并將其以概率P_z|μ制備成Z基的0°或90°偏振態，以概率1-P_z|μ制備成X基的45°或135°偏振態，然后發送給Bob，P_z|μ為發送強度μ時選擇Z基的概率；

步驟三：每個光脈沖經過量子信道，到達Bob端；首先量子存儲器讀入光脈沖，并根據讀入的結果發出指示信號，提示Bob有無光子讀入；若有光子讀入，則存儲器存儲一定時間后釋放該光子，Bob以概率選擇Z基進行測量，的概率選擇X基進行測量，并記錄每次采取的測量基和測量結果。為Bob端選擇Z基的概率；若沒有光子讀入，Bob不做測量，將其丟棄；