[发明专利]一种无需相位反馈的泛光量子密钥分发方法与系统

说明书

本发明提出一种无需相位反馈的泛光量子密钥分发方法与系统，本发明采用近位异或操作处理发送端和接收端得到的比特密钥串，能够降低信号光传输过程中发生相位漂移进而导致的比特错误，并从中提取密钥。通过这个方法，可以省略密钥分发过程中的相位反馈操作，从而极大地简化了分发系统，并可以在相位漂移连续随机的情况下，有效提取成码率。在异或操作之前，补充采用后选择操作，则可以进一步大幅度提升成码率。只要保证恰当的光源谱宽和编码速度，就可以保证成码率打破PLOB上限，在城域范围内有极大地优势。

技术领域

本发明涉及量子通信领域，具体涉及一种无需相位反馈的泛光量子密钥分发方法与系统。

背景技术

由于现有经典密钥加密方式基本基于计算复杂度，而正在走向实现的量子计算机能够提供远超经典计算机的计算速度，从而破解经典密钥，因此新型的密钥生成方法成为密码学的研究重点。量子密钥分发是一种基于量子力学基本原理设计的密钥分发方法，生成的密钥按照一次一密的原则用于通信加密，就可以获得信息理论保证的无条件安全。这种安全性可以抵御量子计算机的攻击，因此大量研究资源投入，希望能够发展并完善这类密钥分发方法。

然而，量子效应在微观尺度才能很好的体现，因此绝大多数的量子密钥分发协议都要求精密度极高的仪器，而实践中这样理想的仪器尚未发明出来。由于仪器的不完美，因此成码率一直较低。即使是理论和实验都发展非常完备的BB84协议，现有技术下其在50km左右（~10dB信道衰减）的成码率最高(Provably secure and high-rate quantum keydistribution with time-bin qudits. Sci. adv. 3(11): e1701491)也只达到7.71Mbps(Mbps =1×10⁶ 比特每秒)。更令人苦恼的是，绝大部分利用单频光的量子密钥分发协议，存在由传输效率约束的成码率上限Pirandola-Laurenza-Ottaviani-Banchi (PLOB)上限(Fundamental limits of repeaterless quantum communications. Nat. Commun. 8,15043)。虽然双场量子密钥分发协议理论上具有打破该上限的能力，但其对仪器的要求更高，在城域范围内，50km左右，效果甚至不如BB84协议。

为克服上述技术缺陷，行业内提出了一种利用宽谱光源进行量子密钥分发的协议(Floodlight quantum key distribution: A practical route to gigabit-per-secondsecret-key rates, Phys. Rev. A 94, 012322，2015年10月29日于预印刊arXiv上公开，并于2016年7月14日发表)，并继而提出了利用该协议进行的实验 (Floodlight quantumkey distribution: Demonstrating a framework for high-rate securecommunication, Phys. Rev. A 95, 012332，2016年7月2日在预印刊arXiv公开，并于2017年1月26日发表)。另外，公开号为CN 107453819 A的专利提出一种高速量子密钥分发方法，该方法的原理与上述协议原理无差。总的来说，上述协议利用宽谱光源和零差测量，每次测量都能产生结果，不受PLOB上限约束。信号光由一方发出，另一方接收编码后再发回给发送方进行测量，因此，量子信号经过的距离是通信双方之间距离的两倍。

上述协议具有以下缺陷：