[发明专利]适合连续变量量子密钥分发的高速秘密协商方法

说明书

技术领域

本发明涉及高速秘密协商方法，具体地，涉及适合连续变量量子密钥分发(CV-QKD，Continuous Variable-Quantum Key Distribution)的高速秘密协商方法，尤其是通过优化现有的CV-QKD数据协商阶段的LDPC译码算法从而大幅提高协商速率的方法。

背景技术

在计算机信息技术迅速发展的背景下，信息技术对信息安全性的要求日益增加。其中，连续变量量子密钥分发因其具有物理的无条件安全性而成为通信技术的一个重要分支，进而，连续变量量子密钥分发技术引起了广泛关注，因为其既能在物理上保证通信的无条件安全性，又相比与离散变量量子密钥分发技术在理论上具有更高的通信速率和效率。目前连续变量量子密钥分发吸引了世界上许多研究机构对其理论和应用技术进行了深入的研究。

然而，CV-QKD系统的主要瓶颈在于数据后处理阶段：一方面数据协商时的协商效率限制了CV-QKD系统的通信距离，另一方面由于协商算法计算量巨大而计算缓慢从而限制了CV-QKD系统的密钥速率。

在连续变量量子密钥分发系统中，由于量子信号十分微弱，在经过长距离的传统光纤传输后，其信噪比通常处于很低的水平。为了在极低的信噪比环境中从原始信息中提取密钥，必须采用性能逼近香农限的译码算法。出于这种考虑，人们通常采用低密度奇偶校验码(LDPC)来进行数据协商。

在传统的LDPC码应用中，LDPC具有多种译码方式，如置信转播(BP，Belief Propagation)算法、最小和(Min-Sum BP)算法、归一化最小和(Normalized Min-Sum)算法以及偏置最小和(Offset Min-Sum)算法。这些算法性能各异，复杂度也不同，BP算法具有较高的复杂度但性能最佳，而简化的BP算法则通过一些近似操作降低复杂度，但也牺牲了部分性能。而在CV-QKD系统中，用于协商的LDPC编译码方法与传统LDPC编译码原理并不完全一样：传统LDPC码在发送端使用生成矩阵在原始信息中增加校验节点，并在译码阶段根据变量节点和校验节点之间反复的信息传递实现纠错译码；而在CV-QKD系统中，发送端并不会对原始信息进行编码，即接收端的接收数据各点之间相互独立，并不存在校验节点。为实现纠错译码功能，发送端还需要发送一串用于校验的校验信息(Syndrome，通常由随机密钥串与校验矩阵相乘产生)。接收端根据接收到的连续变量，使用BP算法使接受信息的Syndrome根据发送端的Syndrome进行纠错，并最终提取密钥。

尽管编译码原理不同，译码器的译码结构确是类似的，传统LDPC译码是在校验节点和变量节点之间不断传递信息进而实现纠错，CV-QKD中的LDPC译码也是通过在接收数据的不同节点之间不断传递信息进而提取密钥，因此译码过程比较类似。

在传统的译码方式实现上，对于H矩阵的运算主要有两种方式：一种是不改变H矩阵的结构，每次运算均使用矩阵运算。另一种是先记录H矩阵中元素“1”的位置，在运算过程中只遍历元素“1”的位置。前一种方法实现简单，但是运算量大，因为H矩阵是稀疏矩阵，其中元素“1”所占的比例往往小于1％。而后一种方法虽然运算量小，但是每次根据所记录的元素“1”的位置来遍历参与运算的其它变量的值引入了更多循环操作，使得算法复杂度提高。

另一方面，传统的译码方式在译码过程中将H矩阵和其它中间变量都按照二维矩阵的形式来处理，两个维度不仅浪费存储空间，也不利于并行计算。

为了进一步减少译码过程中不必要的计算量和其它操作，我们将译码过程中的所有变量都使用一维数组表示，其中H矩阵用一个一维数组表示其中元素“1”的位置。进一步，将译码过程用一维数组实现后，可以很方便地将不同的译码过程并行处理，即：将不同的列重新组成一个矩阵，其中每一列代表一次译码，从而进一步提高译码速率。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种连续变量量子密钥分发系统中的高速数据协商方法，是一种通过优化现有的CV-QKD系统中数据协商阶段的LDPC译码算法从而大幅提高协商速率的方法。

根据本发明提供的一种适合连续变量量子密钥分发的高速秘密协商方法，包括：

步骤A：变量一维化处理步骤；

步骤B：多帧数据并行处理步骤；

其中：

所述变量一维化处理步骤，是指对译码过程中的二维矩阵一维化处理；

所述多帧数据并行处理步骤，是指在变量一维化处理的基础上，将多个数据帧并列后实现并行处理。

优选地，所述步骤A包括如下步骤：