[發(fā)明專利]基于玻色采樣的隨機(jī)數(shù)生成方法及量子密鑰分發(fā)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011390255.5
• 申請(qǐng)日: 2020-12-02
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112511298B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-03-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 石金晶;趙童格;施榮華;王雯萱;黎振煥;賴蔚
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中南大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): H04L9/08
• 分類(lèi)號(hào): H04L9/08;G06F7/58;G06F17/16
• 代理公司: 長(zhǎng)沙永星專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 43001
• 代理人: 周詠;米中業(yè)

1.一種基于玻色采樣的隨機(jī)數(shù)生成方法，包括如下步驟：

S1.確定玻色采樣的輸入玻色子源；具體為對(duì)于M模式N光子的玻色采樣，確定模式數(shù)M和光子數(shù)N，同時(shí)確定發(fā)射光子的位置；采用自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換技術(shù)制備單獨(dú)光子或彼此之間量子糾纏的光子對(duì)；

S2.確定玻色子源演化所需要的線性光學(xué)網(wǎng)絡(luò)；具體為確定線性光學(xué)網(wǎng)絡(luò)中移相器的位置和參數(shù)，以及確定線性光學(xué)網(wǎng)絡(luò)中分束器的位置和參數(shù)；移相器作用于單一模式，對(duì)應(yīng)的酉操作表示為其中為旋轉(zhuǎn)角，n為光子數(shù)態(tài)；分束器的酉矩陣表示為其中φ為相位角，θ為偏置角；為了保證隨機(jī)性，參數(shù)φ和θ在設(shè)定范圍內(nèi)采用均勻分布生成；

S3.將步驟S1確定的輸入玻色子源通過(guò)步驟S2確定的線性光學(xué)網(wǎng)絡(luò)，并采用光子探測(cè)器對(duì)輸出態(tài)進(jìn)行探測(cè)，從而得到玻色采樣的采樣結(jié)果；具體為采用M個(gè)光子探測(cè)器，對(duì)兩次玻色采樣的輸出態(tài)進(jìn)行連續(xù)探測(cè)；

S4.對(duì)步驟S3得到的探測(cè)結(jié)果進(jìn)行后處理，從而得到對(duì)應(yīng)的隨機(jī)比特；具體為采用如下步驟進(jìn)行后處理并得到最終的隨機(jī)比特：

A.確定輸入玻色子源的具體位置以及線性光學(xué)網(wǎng)絡(luò)的具體構(gòu)造，將端口編號(hào)為1～M；同時(shí)進(jìn)行玻色采樣，將采樣結(jié)果記為S₁；

B.在相同的玻色子源輸入以及相同的線性光學(xué)網(wǎng)絡(luò)情況下，再次進(jìn)行玻色采樣，將采樣結(jié)果記為S₂；

C.對(duì)比結(jié)果S₁和S₂：

對(duì)于某端口：若在結(jié)果S₁中探測(cè)到光子而在結(jié)果S₂中未探測(cè)到光子，則確認(rèn)該端口輸出編碼為0；若在結(jié)果S₁中未探測(cè)到光子而在結(jié)果S₂中探測(cè)到光子，則確認(rèn)該端口輸出編碼為1；否則，則不作編碼；

D.根據(jù)步驟C的結(jié)果，將所有端口的編碼比特按順序輸出，從而得到最終的隨機(jī)比特；

S5.重復(fù)步驟S1～S4，直至得到指定長(zhǎng)度的隨機(jī)數(shù)序列。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于玻色采樣的隨機(jī)數(shù)生成方法，其特征在于所述的光子探測(cè)器為開(kāi)關(guān)探測(cè)器。

3.一種包括了權(quán)利要求1或2所述的基于玻色采樣的隨機(jī)數(shù)生成方法的量子密鑰分發(fā)方法，包括如下步驟：

(1)發(fā)送方準(zhǔn)備需要發(fā)送的二進(jìn)制比特；

(2)發(fā)送方采用上述的基于玻色采樣的隨機(jī)數(shù)生成方法，產(chǎn)生與步驟(1)準(zhǔn)備的二進(jìn)制比特長(zhǎng)度相同的隨機(jī)數(shù)序列，并將該隨機(jī)數(shù)序列作為發(fā)送比特轉(zhuǎn)化成光子偏振態(tài)時(shí)測(cè)量基選擇的依據(jù)；

(3)發(fā)送方將調(diào)制后的光子串按設(shè)定的時(shí)間間隔依次發(fā)送給接收方；

(4)接收方同樣采用上述的基于玻色采樣的隨機(jī)數(shù)生成方法，產(chǎn)生與接收到的光子數(shù)相同長(zhǎng)度的隨機(jī)數(shù)序列，并將該隨機(jī)數(shù)序列作為接收光子轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制比特時(shí)測(cè)量基選擇的依據(jù)；

(5)接收方將步驟(4)產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)序列發(fā)送給發(fā)送方；

(6)發(fā)送方將接收到的隨機(jī)數(shù)序列與自身產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)進(jìn)行對(duì)比，并把相同的比特的位置發(fā)送回接收方；

(7)發(fā)送方和接收方均保留步驟(6)的相同的比特和對(duì)應(yīng)的位置，從而得到原始密鑰；

(8)發(fā)送方和接收方進(jìn)行后續(xù)的密鑰協(xié)商、糾錯(cuò)和密性放大過(guò)程，從而得到最終的無(wú)條件安全的密鑰。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的量子密鑰分發(fā)方法，其特征在于步驟(2)所述的將該隨機(jī)數(shù)序列作為發(fā)送比特轉(zhuǎn)化成光子偏振態(tài)時(shí)測(cè)量基選擇的依據(jù)，具體為當(dāng)隨機(jī)數(shù)序列為0時(shí)，將發(fā)送比特按垂直基轉(zhuǎn)化為光子偏振態(tài)：1比特調(diào)制為|↑，0比特調(diào)制為|→；當(dāng)隨機(jī)數(shù)序列為1時(shí)，將發(fā)送比特按斜基轉(zhuǎn)化為光子偏振態(tài)，1比特調(diào)制為0比特調(diào)制為

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的量子密鑰分發(fā)方法，其特征在于步驟(4)所述的將該隨機(jī)數(shù)序列作為接收光子轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制比特時(shí)測(cè)量基選擇的依據(jù)，具體為當(dāng)隨機(jī)數(shù)序列為0時(shí)，對(duì)接收到的光子選擇垂直基來(lái)測(cè)量偏振態(tài)；當(dāng)隨機(jī)數(shù)序列為1時(shí)，對(duì)接收到的光子選擇斜基來(lái)測(cè)量其偏振態(tài)；并將測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制比特。