[发明专利]一种适用于量子安全直接通信的纠错编译码方法

说明书

本发明提出一种适用于量子安全直接通信的纠错编译码方法，属于量子安全直接通信技术领域。该方法首先在接收端和发送端采用量子随机数序列约束替换LDPC码的Tanner表示图中的奇偶校验码约束，得到LDPC‑QRS码的Tanner表示图；在发送端，利用LDPC‑QRS码的Tanner表示图对发送信息序列进行编码，得到对应的发送码字；然后将发送码字发送到量子信道上进行传输，接收端收到对应的接收码字；在接收端，利用LDPC‑QRS的Tanner表示图对接收码字进行译码，得到对应的接收信息序列。本发明方法具有接近香农理论限的优异纠错性能，可以有效实现量子安全直接通信系统中信息的可靠传输。

技术领域

本发明属于量子安全直接通信领域，特别涉及一种适用于量子安全直接通信的纠错编译码方法。

背景技术

量子安全直接通信技术是一种新型的安全通信技术，可以在量子信道中安全地直接传输信息。在量子安全直接通信中，信息传输过程可以分为以下三个阶段：(1)接收者置备一系列单光子，然后利用本地产生的随机序列对单光子进行相位调制，并将调制后的单光子序列通过量子信道发送给发送者。(2)发送者将收到的单光子序列分成两部分，利用其中一部分进行测量，另一部分通过量子存储器进行存储。然后将测量结果以及测量基通过公开信道发送给接收者。接收者根据发送者公布的测量基以及测量结果，进行窃听检测，并将检测结果再次返回给发送者。(3)发送者根据窃听检测结果，判断是否存在窃听：如果存在窃听，则不进行信息的传输；如果不存在窃听，则对信息序列进行编码，得到发送码字。利用发送码字对量子存储器中存储的单光子进行相位调制，然后通过量子信道发送给接收者。接收者在收到经过相位调制的单光子序列后，完成解调以及译码。在信息传输过程的第(3)阶段，由于量子信道的衰减效应以及单光子源的非理想特性，导致接收端的单光子接收率往往很小，通常在万分之四到千分之二之间。这就意味着发送码字中的绝大多数传输符号无法被接收端成功地接收。因此，发送端与接收端需要使用纠错码对发送信息序列分别进行编码和译码，同时编译码码率应小于等于接收端的单光子的接收率，从而保证传输的可靠性。

在现有纠错码方案中，低密度奇偶校验码(low-density parity-check codes，以下简称LDPC码)具有最为强大的纠错能力，已经被广泛应用于无线通信、光通信、深空通信等各个领域之中。但是，传统LDPC码的编译码码率往往较高，如在美国航空航天局制定的CCSDS通信标准中，LDPC码的编译码码率在1/2到4/5之间。欧洲卫星通信标准DVBS-2中，LDPC码的编译码码率在1/4到9/10之间。目前，满足极低码率约束(即码率低于千分之二)的LDPC码的编译码方法设计存在巨大的技术挑战——不仅满足LDPC码构造约束的高性能LDPC码字极为稀少，同时高性能的低码率LDPC码的编译码矩阵往往异常复杂，编译码运算复杂度非常高。开发高性能的、低实现复杂度的极低码率编译码技术，对于解决量子直接安全通信中的信息的可靠传输问题，具有非常重要的意义。

LDPC码的校验矩阵H_T的结构可以用Tanner表示图来描述。图1是一个LDPC码的校验矩阵及其对应的的Tanner表示图.Tanner表示图由变量节点(图中用小圆圈表示)，校验节点(图中用小方块表示)与连接变量节点和校验节点的边三部分组成。其中，编号为i的变量节点代表LDPC码的校验矩阵中的第i列，编号为j的校验节点代表LDPC码的校验矩阵中的第j行。连接编号为i的变量节点与编号为j的校验节点的边代表位于矩阵H_T中的第i行第j列的元素为非零1元素。与某个变量节点与校验节点相连的边的数目称为该变量节点或者是校验节点的度。对于度为λ_i的变量节点，其满足码长为λ_i+1比特，信息序列长度为1比特的重复码约束。对于度为ρ_i的校验节点，其满足码长为ρ_j比特，信息序列长度为ρ_j-1的奇偶校验码约束。

图1中的矩阵是LDPC码的校验矩阵，LDPC码的Tanner表示图就是用来描述校验矩阵的。编号为1的方块代表H_T的第一行，编号为1的圆圈代表H_T的第一列，以此类推。