[发明专利]一种基于外差测量的四态量子密钥分发方法及系统

说明书

本发明提出一种基于外差测量的四态量子密钥分发方法及系统，本发明在制备本振光和四种信号光时，四种信号光满足仅存在相位上的差别，而本振光仅与四种信号光的基准相位之间保持固定相位差，采用上述方式，只需要调制相位就可以进行编码。收发双方编码完毕后进行经典纠错，并在隐私放大环节采用基于凸优化和对偶问题的密钥率计算方法计算出安全密钥率，基于计算出的安全密钥率进行隐私放大，最终获得安全密钥。本发明降低了相位精准制备和相位反馈的难度；另一方面，系统发送信号光种类少且易于制备，简化了系统，能够超越其他连续变量量子密钥分发系统的安全传输距离与安全密钥率，实现更简易、更安全、更高效以及更远距离的密钥分发。

技术领域

本发明涉及量子密钥分发领域，尤其涉及一种基于外差测量的四态量子密钥分发方法及系统。

背景技术

量子密钥分发配合一次一密技术，就能够实现信息理论上无条件安全的保密通信。在现有经典密码体系保密性受到量子计算机并行运算能力威胁的情况下，量子密钥分发成为一种优选方案。

较早被提出的离散变量量子密钥分发需要利用单光子的某一离散化自由度，因此受到单光子信道损耗大、测量设备精度不足等问题的约束，最终安全密钥率不足以满足现有通信需求。而随后被提出的基于高斯调制的连续变量量子密钥分发，理论上利用连续自由度，可以携带超过一比特的信息；利用与强光干涉测量，每个信号光都产生可成码数据。因此在短距离内，连续变量量子密钥分发的安全密钥率具有超越离散变量量子密钥分发安全密钥率的能力。另外，连续变量量子密钥分发所需的设备与现有光通信体系所用设备基本相同，分发系统较容易与现有光通信体系合并，因此在城域范围内比离散变量量子密钥分发更有利用前景，更容易实现。

然而，连续变量量子密钥分发的安全性一直高度依赖于光脉冲的正则分量必须是连续高斯分布这一条件，因为连续高斯分布使得分发系统整体量子态拥有数学强对称性——U(n)对称性(n维酉矩阵的对称性)。用于连续变量量子密钥分发的多种同步、反馈方法也往往要求数据具有高斯分布才能够实施。然而，虽然理论上通过高斯调制可以使得正则分量符合连续高斯分布，但实践中连续高斯分布是无法制备的，只能将高斯分布离散化。而离散出的不同信号态要足够多，往往需要几十种，才能够构筑误差允许的对称性。除此之外，还需要进行精确地测量才能够计算出真实的协方差，从而得到一个具有可信度的密钥率。这些实验技术还不成熟，为此安全性的误差估计很大，进而导致密钥率只能在短距离内超越离散变量量子密钥分发，而在长距离快速衰减至0。

虽然也有很多相关领域技术人员考虑发送更少种类的信号态实现一种离散调制的连续变量密钥分发系统，但较少种信号态意味着高斯调制带来的U(n)对称性被破坏，分发系统丧失了受这种对称性保护的安全性。绝大部分离散调制方案或是假定了信道为线性信道从而限制了攻击者的攻击手段，或是假设了高斯攻击是攻击者的最优攻击方法，从而再次利用高斯调制的相关安全性证明。而面对离散调制，这种假设在数学证明中仅在光强趋向于0时可以很好地逼近真正的安全成码率下限。而实际分发时使用的信号光光强不可能如此小，否则传输距离会明显受限；但是光强不够小就会导致下限过于宽松，成码率快速衰减为0，最终导致成码率与传输距离都很低，甚至不足以超越离散变量量子密钥分发。

在实践中，已有的连续变量量子密钥分发系统通常需要对脉冲的振幅(幅度)和相位联合调制，才能够将信号态调制到实现密钥信息编码的状态上，使得操作较为繁复。同时，连续变量量子密钥分发系统通常使用连续激光配合至少两个强度调制器来实现脉冲的制备，设备较多，容易引入很多的噪声；现实电压不稳的条件不利于维持强度稳定的连续激光，而且连续光斩波成脉冲是消光，将浪费大量能量。而相位反馈是实践中的技术难点，在连续变量量子密钥分发系统中，需要通过复杂的检测和计算获得相位补偿值，然后作用在系统的相关设备上，使得信号态和本振光之间保持固定的相位差，对于高速脉冲来说实时性差；或者尽可能的减少引起相位漂移的环境变化，但无法本质上消除相位漂移。

发明内容