[发明专利]一种用于连续变量量子密钥分发系统中的基于极化码的分层数据协调方法

说明书

本发明涉及一种用于连续变量量子密钥分发系统中的基于极化码的分层数据协调方法。该方法的具体实现步骤如下，步骤1：合法通信双方持有具有互相关性的连续变量，将发送方(反向协调下为接收方)的数据进行分层量化，得到多级二进制数据；步骤2：将步骤1得到的多级二进制数据中所含信息量较少的几级公开，对未公开的数据进行极化码逆编码，并公开休眠比特位置及对应数据；步骤3：接收方(反向协调下为发送方)利用公开的二进制数据以及休眠比特信息对所持有的连续变量进行极化码的多级间译码。本方法的编解码复杂度低，纠错性能好，应用本方法能够获得较高的协调效率，从而提高连续变量量子密钥分发系统的安全码率。

技术领域

本发明涉及连续变量量子密钥分发后处理关键技术领域，主要是应用于连续变量量子密钥分发系统后处理中的基于极化码的分层数据协调方法。该方法尤其适用于较高信噪比条件下的数据协调，可以得到较高的协调效率，从而提高系统的安全码率。

背景技术

信息安全是保障人身财产安全的重要手段。随着高性能计算机的发展，尤其是在不久的将来可能实现的量子霸权，传统基于数学计算复杂度的经典密码受到了巨大的挑战。量子密码是基于物理原理的，具有无条件安全性。连续变量量子密钥分发(Continuous-Variable Quantum Key Distribution，CV-QKD)是目前较为实用的一种量子信息技术。其可以直接用经典光通信器件，探测易于实现，且可以与经典信道融合，具有非常大的实用优势。

后处理是CV-QKD系统中必不可少的一部分。由于量子信道中存在损耗，噪声等干扰，合法通信双方的初始密钥是不一致的。后处理过程可以使得合法通信双方提取出安全密钥。数据协调是后处理中的关键技术之一，其主要作用是纠正双方数据中的误码，保证密钥的一致性。数据协调的关键指标是协调效率，协调效率的大小影响着安全码率的大小。因此，我们需要高效的数据协调方案以实现高安全码率的量子密钥分发。

极化码是Erdal Arikan教授于2008年提出的一种编译码方法，它是目前已知的唯一一种被严格证明的信道容量能够达到香农极限的编译码方法。它具有确定的构造方法，编码方式简单。它的接续消除译码方法不需要迭代，译码速度快。故极化码是一种理想的纠错码。分层数据协调是Gilles Van Assche等人于2004年提出的一种适用于CV-QKD系统的数据协调方法，其在高信噪比条件下依然能够获得较高的协调效率。本发明将二者的优势结合，设计了一种用于连续变量量子密钥分发系统中的基于极化码的分层数据协调方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于连续变量量子密钥分发系统中的基于极化码的分层数据协调方法。该方法通过对连续变量进行分层量化，实现了数据从连续变量到二进制变量的转换；通过极化码的逆编码与多级间译码过程，实现了数据的纠错，从而完成高效的数据协调，以支持高安全码率的CV-QKD系统。

本发明通过以下步骤实现上述方法：

步骤1：合法通信双方持有具有互相关性的连续变量数据，将发送方的数据进行分层量化，得到多级二进制数据，将其看作极化码编码之后的码字；

步骤2：发送方(反向协调下为接收方)将步骤1得到的多级二进制数据中所含信息量较少的几级公开，对未公开的数据进行极化码逆编码，并公开休眠比特位置及对应数据；

步骤3：接收方利用公开的二进制数据以及休眠比特信息对所持有的连续变量数据进行极化码的多级间译码。

步骤1的具体步骤如下：

步骤1A：合法通信双方根据信道特征通过计算确定量化层数、公开层数、量化区间的长度以及各级码率；

步骤1B：发送方根据量化层数和量化区间长度对连续变量数据进行分层量化，实现了数据从连续变量到二进制变量的转换，转换后的二进制变量作为极化码编码后的码字。

步骤2的具体步骤如下：