[發明專利]一種適用于QKD中私鑰放大的最優輸入碼長處理方法及單元

有效

• 申請號: 202110405957.4
• 申請日: 2021-04-15
• 公開（公告）號: CN113179160B
• 公開（公告）日: 2022-03-18
• 發明（設計）人: 羅鈺杰;徐兵杰;李揚;楊杰;馬荔;黃偉;張亮亮
• 申請（專利權）人: 中國電子科技集團公司第三十研究所
• 主分類號: H04L9/08
• 分類號: H04L9/08
• 代理公司: 成都九鼎天元知識產權代理有限公司 51214
• 代理人: 賈年龍

本發明提供了一種適用于QKD中私鑰放大的最優輸入碼長處理方法，接收誤碼糾錯后的數據，根據私鑰放大的壓縮比計算接收到數據的處理碼長，并判斷處理碼長度是否為2的冪，若是，則直接輸出接收到的數據進行私鑰放大；若不是，則對接收到的數據進行處理，輸出最優碼長至私鑰放大，使得私鑰放大的處理碼長為2的冪。本發明通過在誤碼糾錯和私鑰放大過程之間增加一個最優輸入碼長處理過程，在不損壞原輸入的情況下，使得私鑰放大的處理碼長為2的冪，一方面大幅度提升了私鑰放大的性能，另一方面也保障了整個系統的性能。

技術領域

本發明涉及量子通信領域，特別涉及一種適用于QKD中私鑰放大的最優輸入碼長處理方法及單元。

背景技術

隨著量子物理和量子信息論的發展，一種具有信息論可證安全性的通信方式——量子保密通信隨之成為目前的研究熱點。其中，量子密鑰分發(Quantum KeyDistribution,QKD)技術可以為異地通信雙方實時產生并分發一組具有信息可證安全性的密鑰，再結合“一次一密”或AES等對稱加密即可保證通信的安全性。QKD主要包括離散變量和連續變量兩大技術途徑，其中連續變量量子密鑰分發(Continuous Variable QuantumKey Distribution,CV-QKD)采用光場的正交分量作為信息的載體，中短傳輸距離內安全碼率高，且可與傳統光通信的大部分器件通用，具有較好的發展前景。

QKD系統包括量子信息的產生、傳輸和數據后處理，其整體框圖如圖1所示。A端首先通過量子信道向B端發送量子信號，B端對信號進行探測接收。通過經典信道上的數據后處理過程，A和B得到一致的安全密鑰，最后分別將其輸出到各自的密鑰應用服務模塊，進行后續的密鑰存儲、信息加密等。

其中，數據后處理是獲取安全密鑰必不可少的一部分，極大地影響系統整體的安全性和密鑰生成速率。數據后處理的流程圖如圖2所示，主要包括基比對、參數估計、誤碼糾錯和私鑰放大等幾個步驟：首先B端將探測信號時采用的測量基數據通過經典信道發送給A，A接收該數據后選出一致的正交分量，基比對完成后A和B分別得到了原始密鑰；然后A和B需要從原始密鑰中隨機選出部分數據來進行參數估計，從而計算出密鑰分發過程中的部分關鍵參數，并判斷是否繼續此次通信；除去做參數估計的剩余數據進行誤碼糾錯，完成糾錯過程后A和B得到了理論上一致的原始隨機數，通常稱為原始密鑰，但是原始密鑰不能直接用于信息傳輸的加密，因為其中可能包含被竊聽者掌握的部分；而私鑰放大的作用是將誤碼糾錯后得到的一組一致但不安全的原始密鑰進行壓縮，以去除其中被竊聽者獲取的部分，從而使密鑰的安全性得以保障。

在實際的QKD系統實現中，有限碼長效應是一個不得不考慮的因素。假設x和y分別是A和B測量后的密鑰，E為竊聽者Eve的量子態，考慮有限碼長效應時的最終密鑰率為：

其中N為原始密鑰的總長度，n為總數據量減去參數估計中公開的數據量；β是協調效率；I(x:y)是A和B間的香農信息熵；是有限碼長效應下B和E間的互信息量上界；Δ(n)為私鑰放大中有限碼長效應在安全性上的影響，其表達式為：

其中dimΗ_x表示密鑰x的Hilbert空間維度；為平滑參數；ε_PA表示私鑰放大失敗的可能性；n為私鑰放大輸入的長度。

對上述公式進行分析后不難發現，為了減少有限碼長效應的影響，私鑰放大的輸入碼長應該足夠長，例如50km光纖信道下的CV-QKD系統，要求進行私鑰放大的數據長度要求至少為10⁸。但在私鑰放大的實現過程中，面臨計算資源有限的問題，而且大量的數據處理會導致性能降低，從而影響整個系統的性能。在這種情況下，私鑰放大的處理效率尤為重要。