[发明专利]基于经典-量子极化信道的高效量子密钥分发方法

权利要求书

1.一种基于经典-量子极化信道的高效量子密钥分发方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、量子信道参数估计；

S2、极化码构造；

S3、极化码编码；

S4、量子比特制备；

S5、量子比特传输；

S6、量子比特筛选；

S7、重复多次块通信操作S3-S6；

S8、安全性检测；

S9、极化码译码；

S10、最终密钥生成；

在步骤S3中，在每一次块通信中，发送方随机生成长为N_A的消息比特序列，即原始密钥，将冻结比特置零或置1，并完成长为N的极化码的编码；

本步骤中，码长N＝2ⁿ，n为整数，为输入变量，u_i为第i个输入变量，为输入变量经过编码后得到的极化码，x_i为极化码中的第i位，具体的编码过程为：

S31、根据下述数学方法构造生成矩阵G_N：

R_N为比特反转重排操作：

R_N(u₁,u₂,u₃,u₄,...,u_N-1,u_N)＝(u₁,u₃,...,u_N-1,u₂,u₄,...,u_N)；

其中，G_N为极化码的生成矩阵，B_N为排序矩阵，

S32、根据上述公式所生成的矩阵G_N，生成相应的经典/量子编码线路；

S33、将输入编码线路，由生成具体的极化码编码。

2.根据权利要求1所述的基于经典-量子极化信道的高效量子密钥分发方法，其特征在于：在步骤S1中，发送方与接收方在确定其所使用的量子信道后，首先进行通信，从而在排除窃听的情况下确定系统实际的信道固有量子误码率，并利用系统实际的信道固有量子误码率设定信道误码率安全阈值l_max；在步骤S2中，通信的发送方与接收方根据步骤S1确定的信道固有量子误码率评估信道性能，产生相应的极化码结构，产生相应的极化编码结构，包括确定极化码码长N、消息比特的位数N_A以及传递消息比特的坐标子信道的位置。

3.根据权利要求1所述的基于经典-量子极化信道的高效量子密钥分发方法，其特征在于：在步骤S4中，对每一次块通信，发送方随机选择某一固定基底，在此基底下根据极化编码结果完成此次块通信中每一位量子比特的制备，随后将其传送给接收方；在步骤S5中，将S4中生成的量子比特串输入量子信道，发送给接收方；在步骤S6中，发送方与接收方对密钥的传输结果进行初步筛选；在每一次块通信中，接收方随机选取一个固定的基底，在此基底下测量由发送方传输的N位量子比特，每次完成N位量子比特的传输和测量后，接收方通过公开信道与发送方进行基比对，若发送方与接收方所选用的基底相同，则保留此次通信结果，若不相同，则舍弃；在步骤S8中，接收方随机挑选1/2的在经过初步密钥筛选后被保留的块通信结果，并与发送方进行公开比对，计算每一次块通信中的比特串的误码率；若其中任何一条比特串的误码率高于或等于误码率安全阈值则说明传输信道中存在窃听，此时立即终止通信，并检查传输信道；若所有被选中的比特串的量子误码率小于误码率安全阈值则进入下一步骤，并舍弃被选中用于安全性检测的比特串。

4.根据权利要求1所述的基于经典-量子极化信道的高效量子密钥分发方法，其特征在于：在步骤S9中，接收方根据测量结果，对每次通信中的N位比特进行译码，从而获得对原始密钥的估计值；

设接收方接收到的各位比特为接收方通过译码得到对发送方发送的比特的估计值消息比特的下标序列集合为A，冻结比特的下标序列集合为A^c，极化码译码模块采用的信道模型为二进制离散无记忆信道；

本步骤若采用连续消除译码方式，则具体过程为：

S91、计算对数似然比其中W(y_j|0)为发送方发送0而接收方接收到y_j的后验概率，W(y_j|1)为发送方发送1而接收方接收到y_j的后验概率；

S92、根据下述递推式计算对数似然比

其中，表示已译码序列中奇数下标位的估计值，表示已译码序列中偶数下标位的估计值；并且，

f₂(a,b,u)＝(-1)^ua+b

S93、按下述规则确定每一位比特的估计值：

本步骤若采用列表连续消除译码方式，则具体过程如下：

S91、按照连续消除译码方式中的步骤计算与第一个比特相关的对数似然比；

S92、计算候选译码路径的路径度量值；

本步骤中的路径度量值计算方式如下：

式中，下标l∈{1,2,...,L}表示第l条搜索路径；

S93、根据搜索宽度L逐层进行搜索路径拓展，保留目前截至当前层的PM值最小的L条搜索路径；

S94、进行下一层的对数似然比和路径度量值的计算，以此类推，直至最后一层；

S95、在最后一层中选择路径度量值最小的搜索路径作为最后的译码路径；

在步骤S10中，经过步骤S1-S9，发送方和接收方利用Q次通信得到的M条N位比特串，Q≥M，按通信双方事先约定的一定的规则从每条比特串中选出一位比特生成一条长为M的最终密钥，一共可生成N条最终密钥。