一种多方量子密钥分发系统及其纠错方法与流程

本发明涉及量子通信技术领域，具体涉及量子密钥分发技术领域，尤其涉及一种多方量子密钥分发系统及其纠错方法。

背景技术：

量子通信的安全性依赖于量子密钥分发，量子密钥分发以量子物理与信息学为基础，被认为是安全性最高的加密方式，其需要一条用来传输量子态的量子信道，以及一条用来进行经典交互的可认证的(无错的)经典信道。

在多方量子通信中，假设A向n个接收端发送相同的数据，如果使用不同的密钥，则A要准备n串密钥分别发送给接收端，接收端分别进行纠错，A要分别使用这n串密钥对待发送数据进行加密。使用现有技术进行如上通信要加密n次，A需要保存n串密钥，因此运算量大，存储密钥占用空间大；如果使用相同密钥，A只需要保存一串密钥，只需加密一次，因此运算量小，存储密钥占用空间小。

量子通信的纠错算法一般为LDPC(low density parity check codes)编码，LDPC编码包含信息码和校验码，在量子通信中，信息码就是密钥，校验码由校验矩阵和密钥相乘所得(校验矩阵由PEG算法根据度分布计算得出)，信息码通过量子信道传输，校验码通过经典信道传输。

技术实现要素：

本发明的目的在于为避免上述现有技术所存在的不足，提出一种多方量子密钥分发系统及其纠错方法，其能够解决在纠错过程中运算量大，存储密钥占用空间大的问题。

一方面，本发明提供了一种用于多方量子密钥分发的纠错方法，应用于包括发送端和至少两个接收端的多方量子密钥分发平台，包括以下步骤：

S1：计算系统误码率；

S2：根据系统误码率确定校验矩阵；

S3：根据校验矩阵得到原始密钥的校验码及共享密钥的校验码；

S4：利用原始密钥的校验码对接收端的共享密钥向发送端的原始密钥进行纠错；

S5：判断纠错是否成功，并将纠错结果发送到发送端；

S6：若纠错成功，则停止运算；若纠错不成功，则进行码率调整得到新的原始密钥和共享密钥，并以码率调整后的原始密钥和共享密钥返回执行步骤S3～S6，直至纠错成功或达到预设的最大的纠错次数；

首次进行码率调整时需要计算puncturing、shortening的位数及其位置信息；

且相邻两次码率调整过程中puncturing和shortening操作的位置进行如下调整：将上一次puncturing的位置信息中选取部分作为shortening的位置信息作为新的puncturing和shortening的位置信息以用于进行下一次码率调整。

进一步的，步骤S1中计算系统误码率时，首先分别计算各个接收端相对于发送端的误码率，然后选择其中最大的误码率得到系统误码率。

进一步的，误码率的计算方法为：各个接收端将预定好的部分共享密钥分别发送给发送端，发送端将各个部分共享密钥与各个原始密钥中相应位置上的值分别进行比对，以结果不同的位置总数和占参与对比的总位置数的比值作为误码率。

进一步的，所述步骤S5中判断纠错是否成功的方法为：通过判断纠错后的原始密钥的校验码，与共享密钥的校验码是否相同，若相同，则纠错成功，若不相同，则纠错不成功。

另一方面，本发明还提供了一种多方量子密钥分发系统，应用于包括发送端和至少两个接收端的多方量子密钥分发平台，包括

发送单元，用于将原始密钥分别发送给接收端；

接收单元，用于在接收端接收来自发送端的原始密钥，并以接收结果作为相应的共享密钥。

纠错单元，用于对发送端的原始密钥和各个接收端的共享密钥进行纠错使发送端的原始密钥和各个接收端的共享密钥相同。

进一步的，所述纠错单元包括误码率计算单元，所述误码率计算单元通过各个接收端将预定好的部分共享密钥分别发送给发送端，发送端将各个部分共享密钥与各个原始密钥中相应位置上的值分别进行比对，以结果不同的位置总数占参与对比的总位置数的比值作为误码率，选择其中最大的误码率得到系统误码率。

进一步的，所述纠错单元还包括校验码计算单元，所述校验码计算单元用于根据系统误码率确定校验矩阵，然后根据校验矩阵得到原始密钥的校验码及共享密钥的校验码。

进一步的，所述纠错单元包括LDPC纠错单元，所述LDPC纠错单元用于利用原始密钥的校验码对接收端的共享密钥向发送端的原始密钥进行纠错。

进一步的，所述纠错单元包括码率调整单元，所述码率调整单元用于纠错不成功后，进行码率调整得到新的原始密钥和共享密钥，并以新的原始密钥和共享密钥替代上一次的原始密钥和共享密钥进行循环纠错和码率调整，直至纠错成功或达到预设的最大的纠错次数；

首次进行码率调整时需要计算puncturing、shortening的位数及其位置信息；且相邻两次码率调整过程中puncturing和shortening操作的位置进行如下调整：将上一次puncturing的位置信息中选取部分作为shortening的位置信息作为新的puncturing和shortening的位置信息以用于进行下一次码率调整。

本发明中，纠错算法是基于多方量子密钥分发进行的，首先进行多方量子密钥分发，在发送端形成发送端的原始密钥，在各个接收端分别形成相应的共享密钥。

与现有技术相比，本申请具有以下优点：

现有技术只能对两方进行密钥纠错，本发明能够对多方进行密钥纠错；如果将现有技术应用于多方密钥纠错，只能依次成对进行纠错，假设采用可变码率LDPC编码，码率调整后，获得的密钥是不同的；如果采用固定码率LDPC编码时，因为没有码率调整，获得相同密钥的成功率会偏低；本发明能使用可变码率LDPC编码，进行多方密钥纠错获得相同密钥。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明实施例1一种用于多方量子密钥分发的纠错方法的流程框图；

图2是本发明实施例1一种多方量子密钥分发系统的结构框图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

在本申请中，提供了一种多方量子密钥分发系统，一种用于多方量子密钥分发系统的纠错方法，在下面的实施例中逐一进行详细说明。

实施例1

参考图1，本实施例提供的一种用于三方量子密钥分发的纠错方法，应用于包括发送端和两个接收端的三方量子密钥分发平台。

其中，发送端为Alice端，两个接收端分别为Bob端和Charlie端。Alice端用于将原始密钥KA分别发送给Bob端和Charlie端。Bob端和Charlie端分别接收来自发送端的原始密钥KA并得到相应的共享密钥KB和KC。

在实际应用时，由于在复杂的光子序列传输、处理过程中存在光损耗、误码等问题，由于接收端接收到的结果和发送端发送的结果不一致，所以需要对Bob端和Charlie端接收到的共享密钥进行纠错。通过对Alice端的原始密钥KA和Bob端、Charlie端的共享密钥KB和KC进行纠错，使Alice端的原始密钥KA和Bob端、Charlie端的共享密钥KB和KC均相同(即纠错成功后：KA＝KB＝KC)。

纠错方法具体如下：

Alice端通过量子信道发送给Bob端获得共享密钥KB，Bob端将预先约定好的部分密钥KB'通过经典信道发送给Alice端，Alice端将部分密钥KB’与原始密钥KA相应部分KA'进行比较，以比对结果不同的位置的总数和占参与比对的总位置数的比值作为Alice端和Bob端之间的误码率PeB。同理，根据原始密钥KA、共享密钥KC进行上述操作即可得到Alice端和Charlie端之间的误码率PeC。并以误码率PeB、PeC中的最大值作为该秘密共享系统的误码率Pe。

对于密钥分发系统，具有确定的可候选的校验矩阵集合，集合中的各个校验矩阵对应于不同范围的误码率，且各个矩阵具有唯一的索引信息(通常为矩阵ID)。由于校验矩阵的所占内存大于索引信息，在计算校验码的过程中，并不需要将校验矩阵传输后进行计算，而是通过传输与该校验矩阵相对应的索引信息，通过索引信息可以直接调取该校验矩阵的信息。根据Pe从预存的包括至少一个矩阵的校验矩阵集合(根据度分布表采用PEG算法计算得到)中选择一个作为相应的校验矩阵H；Alice端使用校验矩阵H和原始密钥KA进行矩阵乘法操作获得原始密钥KA的校验码SA；Alice端将校验矩阵索引信息及校验码SA通过经典信道发送给Bob端和Charlie端，Bob端和Charlie端获得校验矩阵索引信息和校验码SA后，根据校验矩阵索引信息得到校验矩阵H，进而算出校验码SB、SC。

在纠错过程中，分别利用校验码SA对共享密钥KB、KC向原始密钥KA进行LDPC纠错；并将纠错结果(是否成功)通过经典信道发送给Alice端。

Alice端等待接收到Bob端和Charlie端的成功或失败消息，通过如下方法判断成功或失败：

分别计算Bob端和Charlie端的校验码SB、SC，判断校验码SA＝SB＝SC是否成立：若成立，则纠错成功；若不成立，则纠错失败。

如果Bob端和Charlie端均纠错成功，则向Bob端和Charlie端返回成功消息，纠错结束。

否则，进行如下步骤：

Alice端、Bob端和Charlie端进行puncturing(穿刺)和shortening(截短)码率调整，具体过程如下：

如果首次调整码率，则要计算puncturing的位数p和shortening的位数s、位置信息(puncturing位置和shortening位置)，具体计算过程如下：

假设可变码率δ(一般取δ＝10％)，密钥长度为n，初始码率为R0，错误率为∈，预期的f因子为f(∈)(一般选取f(∈)＝1.2)，那么可以得出可调位数d以及熵H₂(∈)：

(b1-1-2)估算需要的码率：

R＝1-f(∈)H₂(∈) (2)

根据(1)、(2)的结果可以算出shortening和puncturing的位数：

Alice端随机生成如下成d个不重复的随机排列的随机数表示位置信息，每个随机数的取值范围均为1～n，n是密钥的长度。随机数前p位表示puncturing位置，后s位表示shortening位置。通过经典信道Alice端发送位置信息给Bob端和Charlie端。

根据puncturing和shortening的位置信息按照任意顺序依次进行puncturing和shortening得到新的密钥KA1、KB1和KC1。

puncturing和shrotening具体过程如下：

puncturing:Alice端、Bob端和Charlie端各自独立生成p位二进制随机数，分别按照puncturing位置信息将原始数据替换成自己生成的p位二进制随机数。

shortening:Alice端生成s位二进制随机数，将此s位二进制随机数通过经典信道发送给Bob端和Charlie端，Alice端、Bob端和Charlie端三方按照shortening位置信息将原始数据替换成此s位二进制随机数。

根据所得新的密钥KA1、KB1和KC1更新校验码SA、SB、SC，进行循环纠错，直到多方纠错成功，或达到预先约定的循环次数上限。

在纠错过程中，设定采用LDPC纠错方法进行纠错的最大次数设定为5次。在实际纠错过程中，一般情况下，通过3次纠错即可纠错完成。若在特殊情况下，通过5次纠错还不能纠错成功，则系统停止运算。

对于上一次纠错成功的一方，再次向Alice端发送成功消息；对于上一次纠错失败的一方，进行LDPC方法纠错，完成后向Alice端发送成功或失败消息。

如果不是首次调整码率，则puncturing和shortening操作的位置进行如下调整：将上一次puncturing的位置信息中选取部分作为shortening的位置信息作为新的puncturing和shortening的位置信息以用于进行下一次码率调整。

在上述的实施例中，提供了一种用于三方量子密钥分发系统的纠错方法，进一步的，本申请还提供了一种三方量子密钥分发系统。

参考图2，本实施例提供的一种三方量子密钥分发系统应用于包括发送端和两个接收端的三方量子密钥分发平台，包括：发送单元，用于将原始密钥分别发送给接收端；接收单元，用于在接收端收来自发送端的原始密钥，并以接收结果作为相应的共享密钥。纠错单元，用于对发送端的原始密钥和各个接收端的共享密钥进行纠错使发送端的原始密钥和各个接收端的共享密钥相同。

进一步的所述纠错单元包括误码率计算单元，所述误码率计算单元通过各个接收端将预定好的部分共享密钥分别发送给发送端，发送端将各个部分共享密钥与各个原始密钥中相应位置上的值分别进行比对，以结果不同的位置总数占参与对比的总位置数的比值作为误码率，选择其中最大的误码率得到系统误码率；所述纠错单元还包括校验码计算单元，所述校验码计算单元用于根据系统误码率确定校验矩阵，然后根据校验矩阵得到原始密钥的校验码及共享密钥的校验码；所述纠错单元还包括LDPC纠错单元，所述LDPC纠错单元用于利用原始密钥的校验码对接收端的共享密钥向发送端的原始密钥进行纠错；所述纠错单元还包括码率调整单元，所述码率调整单元用于纠错不成功后，进行码率调整得到新的原始密钥和共享密钥，并以新的原始密钥和共享密钥替代上一次的原始密钥和共享密钥进行循环纠错和码率调整，直至纠错成功或达到预设的最大的纠错次数；首次进行码率调整时需要计算puncturing、shortening的位数及其位置信息；且相邻两次码率调整过程中puncturing和shortening操作的位置进行如下调整：将上一次puncturing的位置信息中选取部分作为shortening的位置信息作为新的puncturing和shortening的位置信息以用于进行下一次码率调整。

另外，发送端还包括量子随机数发生器，量子随机数发生器用于产生随机数，根据这些随机数就能生成各个接收端的原始密钥。

实施例2

本实施例提供的一种多方量子密钥分发系统以及一种用于多方量子密钥分发的纠错方法。

与实施例1相比，该多方量子密钥分发系统应用于一个发送端和多个接收端的多方量子密钥分发平台，其工作原理与实施例1相同，这里不再重复说明。

该纠错方法用于对发送端的原始密钥和多个接收端的共享密钥进行纠错使发送端的原始密钥和多个接收端的共享密钥相同。与实施例1相比，本实施例中的纠错方法应用于一个发送端和多个接收端的多方量子密钥分发平台，但其在实际算法上可由实施例1推理可得，这里不再重复说明。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。