[发明专利]一种用于量子密钥生成系统成码错误率的计算方法

说明书

本申请给出了一种用于量子密钥生成系统成码错误率的计算方法，该计算方法用于四发三收的三态协议的成码错误率计算，并由此获得更优的成码率估计，它不需要依赖于基础的检测效率条件，并且相位错误率的估计值更为紧致，计算方式较为简单。主要步骤包括：步骤1：量子密钥分发的发送方和接收方根据四发三收的三态协议进行量子态的制备和测量；步骤2：发送方和接收方进行基矢比对；步骤3：发送方和接收方进行纠错，得到接收方用Z基矢测量的比特错误率；步骤4：计算接收方用Z基矢测量的相位错误率；步骤5：对丢弃基矢信息后的密钥进行隐私放大，得到成码率。

技术领域

一种用于量子密钥生成系统成码错误率的计算方法，以解决现有技术中依赖于接收方探测单元的探测效率的问题，并提升对相关错误率的估计，简化计算方式。

背景技术

量子密钥分发是量子信息技术中最有应用前景的技术之一量子密钥分发系统主要包含两部分：一是硬件部分，包括发送、接收和测量装置；二是软件以及数据的后处理。量子密钥分发协议中，发送方制备量子态，接收方从量子信道(或共用信道)接收和检测量子态，双方再通过公共信道交换必要信息，通过数据后处理，含纠错、隐私放大等，最终双方得到密钥。

为了简化量子密钥分发系统实验装置的复杂性，研究人员提出了三态协议(three-state protocol，这种三态协议要求在发送方制备三种不同的量子态，在接收方测试四种不同的量子态，C.-H.F.Fung and H.-K.Lo,Phys.Rev.A 74,042342(2006).)，该协议在2006年完成无条件安全性的证明，但是由于该方案对单光子的相位错误率估计过高而不具备实用性。

此后，2014年进一步的理论研究(K.Tamaki,M.Curty,G.Kato,H.-K.Lo,andK.Azuma,Phys.Rev.A 90,052314(2014))表明，三态协议具备丢失容忍性的，这意味着即使在非理想光源的情况下三态协议也适用于远距离量子密钥分发。更重要的是，该研究实现了在渐近极限条件下将三态协议的安全码率提高至与标准BB84协议相同的水平，使得三态协议具备了实用性。

四发三收的三态协议：其基矢制备和测量按照如下方式：量子密钥分发的发送方(Alice)随机选择Z基矢和X基矢进行制备量子态，其中，选择Z基矢的概率为p，选择X基矢的概率为1-p，当选择Z基矢时，Alice随机制备量子态|0和量子态|1，制备量子态|0的概率为p/2，制备量子态|1的概率为p/2，当选择X基矢时，Alice随机的制备量子态|+和量子态|-，制备量子态|+的概率为(1-p)/2，制备量子态|-的概率为(1-p)/2。量子密钥分发的接收方(Bob)随机选择Z基矢和X基矢对量子态进行测量，其中，选择Z基矢的概率为q，选择X基矢的概率为1-q。当Bob选择Z基矢时，对|0、|1进行测量；当Bob选择X基矢时，对|+进行测量。以上0p,q1。

但是，四发三收的三态协议需要满足测量基矢无关的探测效率条件，这一条件在一部分量子密钥分发系统较难满足的。例如，对于基于被动基矢选择的时间相位编码量子密钥分发系统，和时间基矢的探测效率相比，相位基矢的探测效率通常小3dB。

同时上述方案在进行相位错误率估计时，其现有计算公式较为复杂，在远距离量子密钥分发条件下，其相位错误率估计值较大，将严重降低安全码率。

发明内容

为了解决上述问题，本申请给出了三态协议的安全码率计算方式，它不需要依赖于基础的检测效率条件，并且相位错误率的估计值更为紧致，计算方式较为简单。

步骤1：量子密钥分发的发送方和接收方按照四发三收的三态协议分别进行量子态的制备和测量；

优选的，步骤1所述的量子态制备和测量方式，可以采用不少于四态的协议中所采取的方式，但在后续使用时，按照四发三收的三态协议所述的方式选择量子态的制备及测量。

步骤2：发送方和接收方进行基矢比对；