[发明专利]一种连续变量四态量子密钥分发方法及系统

权利要求书

1.一种连续变量四态量子密钥分发方法，其特征在于，包括步骤：

(1)发送端制备本振光，并按照概率分布[q1,q2,q3,q4]产生对应四个相干态{|s,|-s,|is,|-is}的信号光，然后将信号光与本振光发送到接收端；其中，q1＝q2，q3＝q4，q1+q2+q3+q4＝1，s为实数；

(2)接收端通过相位调制随机且等概率地在本振光中引入0或π/2的相位增量，分别用以测量信号光的正则坐标分量或正则动量分量，然后，接收端进行零差测量，得到信号光的正则坐标或正则动量；

(3)重复步骤(1)至(2)N次后，得到一轮成码所需的数据；

(4)发送端和接收端通过认证的经典信道进行通信，接收端告知发送端自己在测量时对正则分量的选择，然后发送端根据接收端的选择将发送同一种信号态而接收端分别测量正则坐标和正则动量的情况看作同一组，通过经典信道仅告诉接收端哪两次测量可以看作同一组，但并不公布制备的相干态本身；

(5)发送端对所发送的信号态进行密钥映射，得到发送端的初始密钥；接收端根据测量结果进行密钥映射，得到接收端的初始密钥；

(6)发送端和接收端基于各自的初始密钥进行反向协商以及相关的纠错和隐私放大过程，得到最终的安全密钥。

2.根据权利要求1所述的一种连续变量四态量子密钥分发方法，其特征在于，在执行步骤(5)之前，还根据步骤(4)的测量结果采用数值模拟凸优化算法估计成码率，若成码率满足预设的安全性条件，则继续执行步骤(5)，否则，结束所述密钥分发。

3.根据权利要求2所述的一种连续变量四态量子密钥分发方法，其特征在于，所述采用数值模拟凸优化算法估计成码率的具体步骤包括：

构建成码率计算公式为：

其中，R表示密钥率，σ表示联合密度矩阵，S表示联合密度矩阵应该满足的条件，H(ρ||σ)是相互熵，表明遭到攻击后仍然不被攻击者知道的信息量，K作为映射建立起密度矩阵与经典比特之间的关联，P表示收缩量子信道的作用效果，Δ代表经典数据的比特纠错导致的比特损失，q表示保留一个脉冲作为最终生成密钥的几率；

根据成码率的计算公式，利用凸优化算法寻找相互熵的下界：首先，从初始联合密度矩阵σ₀开始，经过迭代寻找到一个接近最强攻击时的联合密度矩阵σ′，此时将迭代出的σ′代入下式，计算出成码率的下界：

ε≥ξ(σ′)

其中，ε表示当联合密度矩阵满足约束S时相互熵的最小值，是由测量密度矩阵得到的期望值组成的向量，是有待优化的参数，S^*是应该满足的约束条件，上标T表示矩阵的转置，表示梯度算子，Tr表示对矩阵求迹，求得的ξ(σ′)即为相互熵的下界，将计算出的下界代入成码率的表达式中，计算得到成码率的下界。

4.一种连续变量四态量子密钥分发系统，用于实现权利要求1至3任意一项所述方法，包括发送端和接收端，其特征在于，所述发送端包括制备模块，用于制备所述本振光和所述信号光；所述接收端包括：偏振控制模块、分束模块、相位调制模块和零差测量模块；其中，

偏振控制模块用于调整量子信道中信号光与本振光的偏振状态，使得它们的偏振状态得到重新校准；

分束模块用于将不同偏振方向的信号光与本振光分开；

相位调制模块在本振光中随机且等概率地引入0或π/2的相位增量；

零差测量模块对信号光和经过相位调制后的本振光进行零差测量，得到正则坐标或正则动量。

5.根据权利要求4所述的一种连续变量四态量子密钥分发系统，其特征在于，所述发送端和接收端分别设置控制模块，发送端和接收端的控制模块分别控制本端内部各模块实现相应功能，以及与通信的另一方进行反向协商以及相关的纠错和隐私放大步骤，以协商出最终的安全密钥。