[發明專利]一種普適的雙場量子密鑰分發協議仿真方法

有效

• 申請號: 202210279866.5
• 申請日: 2022-03-21
• 公開（公告）號: CN114666046B
• 公開（公告）日: 2023-04-07
• 發明（設計）人: 馬嘯;孫銘爍;張春輝;王琴
• 申請（專利權）人: 南京郵電大學
• 主分類號: H04L9/08
• 分類號: H04L9/08;H04L41/14;H04B10/70;H04B10/85
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 任志艷

本發明公開了一種普適的雙場量子密鑰分發協議仿真方法，通過考慮包括探測器的非對稱性與分束器反射率的不理想，提出了更為通用的雙場量子密鑰分發協議模型，減小了系統實際存在的誤差。模型通過結合四強度誘騙態方案，系統地研究了實際參數對雙場協議性能的影響：與使用理想分束器相比，使用非理想分束器會降低密鑰率，而探測器的不理想也會降低傳輸密鑰，減小密鑰傳輸的距離。此外，本發明還對誤差進行了量化，給出了悲觀估計、樂觀估計與實際情況下系統的不同性能：三種結果下的通信傳輸距離和密鑰率差異較大，這意味著器件的缺陷會對整體實驗性能產生負面影響，以往的實驗的假設條件會使得結果出現不可避免的誤差，也說明了此發明的必要性。

技術領域

本發明涉及量子密碼技術領域，尤其涉及一種考慮不對稱探測器與不理想分束器的普適的“發送-不發送”雙場量子密鑰分發協議的仿真方法。

背景技術

量子密鑰分發(Quantum?Key?Distribution，QKD)的安全性基于量子物理基本定律，即使存在惡意竊聽者Eve，也可以在兩個合法用戶Alice和Bob之間共享密鑰。自Bennett和Brassard提出第一個QKD協議以來，已經過去了30多年，人們針對該領域進行了大量的理論和實驗工作。對于BB84協議，人們對其原始安全證明中的來源和檢測部分都做了很多假設。為了彌補理論和實際設置之間的差距，研究人員提出了不同的協議和方法。例如：提出誘騙態方法來解決傳輸過程中潛在的光子數分離(Photon?number?splitting，PNS)攻擊；為了提高發射源的安全性，已經發明了誤差容忍協議或具有未表征源的協議；此外，為了彌補探測部分的漏洞，一些實用模型考慮了檢測設備的實際缺陷。然而，BB84協議的實際性能受到模型內部結構的限制，自身存在固有缺陷，因此人們在研究性能更加優越的協議。與測量設備無關的量子密鑰分發(Measurement?Device?Independent?QKD，MDI-QKD)可以免疫所有針對檢測部分的攻擊，因此MDI-QKD協議受到了關注。然而，有限長效應對MDI-QKD協議影響較為顯著，且密鑰率受到PLOB(Pirandola?Laurenza?Ottaviani?Banchi，PLOB)約束的限制，所以需要尋求一種更高性能的協議。幸運的是，Lucamarini等人提出了雙場量子密鑰分發(Twin-Field?Quantum?Key?Distribution，TF-QKD)協議，將密鑰率的信道損耗依賴性從O(η)變為打破了PLOB界限，這種協議不僅具有MDI-QKD的優勢，而且極大地提高了傳輸距離，在QKD領域取得革命性進展。自TF-QKD提出以來，已經提出了許多基于TF-QKD協議的提升版本，并且一些協議已經通過實驗證明。原則上，TF-QKD可以去除所有針對檢測部分的側信道攻擊。然而目前的實驗默認所使用的對稱探測器與分束器是理想的，沒有考慮到現實環境中實驗器件的固有缺陷，這會與實際實驗的結果產生差異，影響QKD系統的實際性能。因此需要一種更通用的仿真模型，考慮檢測設備中的實際缺陷，即不對稱探測器和非理想分束器，以提高協議的魯棒性。

發明內容

本發明的目的是針對上述現有方法的不足，提供一種適用于不對稱探測器和非理想分束器條件的雙場協議仿真模型，并且以發與不發雙場量子密鑰分發(SNS?TF-QKD)協議為例進行模型介紹。合法用戶將量子態發送給測量方進行測量，針對測量模塊計算信號態的增益和QBER，然后通過對探測模塊進行建模，可以得到Z基下的計數與增益，同時求出X基下平均增益與量子比特誤碼；進一步地，通過X基下四種不同的增益對信號光的參數進行估計，可以求出單光子計數與誤碼，最后得到安全密鑰率；最后通過控制單一變量的方法，分別探究分束器、探測器的暗計數率以及探測效率對密鑰率的影響，并加以量化。本方法考慮了器件實際存在的缺陷，給出了這種誤差在悲觀估計與樂觀估計的條件下對密鑰率的影響并加以量化，該方法增強了雙場量子密鑰分發協議的魯棒性。