面向安全性分析的量子密钥分发系统物理建模方法与流程

本发明属于网络系统技术领域，具体涉及面向安全性分析的量子密钥分发系统物理建模方法。

背景技术：

名词解释：

量子通信中通信双方分别称为Alice端和Bob端。其中，Alice端为光源端，由单光子源不断发出单光子脉冲；Bob端为探测端，单光子探测器接收来自Alice端的光子，进行测量。

量子密钥分发基于量子力学的基本原理，具有理论上的绝对安全性。在国防、金融和政务方面扮演着不可替代的角色。世界上许多国家都已投入大量人力物力进行研究。

随着量子密钥分发系统逐渐实用化，对其安全性分析也越来越重要。主流的做法是对量子密钥分发系统进行建模，然后进行理论分析。然而，目前现存的建模方法都只停留在理论分析的层面，无法得到仿真的数据进行量化分析。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现存建模方法的不足，通过对配置物理系统的参数，计算仿真结果，获得物理系统的仿真数据，从而可应用于量化安全分析以及后处理算法的正确性研究。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

a. Alice端根据配置的参数生成单光子源的模拟数据，通过网络发送给Bob端。

b. Bob端对不同的物理器件建立数学模型，根据配置的参数，计算出单光子源、量子信道以及单光子探测器的损耗和工作效率。

c. Bob端接收来自Alice端的字节码数据。

d. Bob端根据物理器件的工作效率，结合来自Alice的数据，计算出单光子探测器得到不同测量结果的概率。

e. Bob端根据概率分布分配测量结果，得到仿真数据。

与现有仿真模型相比，本发明的优点在于：

(1)本发明能够对不同的量子密钥分发系统中的物理器件进行仿真建模，具有通用性。

(2)本发明能够生成仿真数据，可以对物理系统进行量化安全分析。同时，可以用于量子密钥分发后处理中的误码协商算法的正确性研究。

附图说明

图1是本发明所述的面向安全性分析的量子密钥分发系统物理建模方法的软件结构示意图；

图2是本发明所述的面向安全性分析的量子密钥分发系统物理建模方法的软件流程图。

图3是本发明所述的面向安全性分析的量子密钥分发系统物理建模方法的数据格式。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施对本发明做进一步地详细说明。图1为本发明所述面向安全性分析的量子密钥分发系统物理建模方法的软件结构示意图，图2为本发明所述面向安全性分析的量子密钥分发系统物理建模方法的软件流程图。图3为本发明所述面向安全性分析的量子密钥分发系统物理建模方法的数据格式。

本发明包含两个软件仿真客户端，Alice端和Bob端。两端通过TCP/IP协议进行数据传输，通过调用C语言的套接字函数进行数据的发送和接收，软件的结构如图1所示。软件的工作流程如图2所示。

在Alice端输入量子密钥分发系统的各项参数(信道损耗、Bob端损耗、探测器效率、信号态平均光子数、暗计数率、探测器时间窗口、系统误码率和探测器产生错误测量的概率)。Alice端根据预先设置的配置信息(脉冲数目、信号态光子类型的比例以及量子态的平均光子数)生成单光子模拟数据，若以N表示脉冲数目，a表示信号态光子类型的比例，则信号态光子数为a*N，且随机分布于N个脉冲之中。

Alice端数据格式如图3所示，第8位表示选用的基矢，0表示正交九十度基矢，1表示斜四十五度基矢；第7位表示携带的密钥信息，0表示密钥为0，1表示密钥为1；第6位和第5位表示光子的类型，00，01和10分别表示真空态、信号态和诱饵态；第4位至第1位为预留位，用0填充。

Bob端对光子态的传输以及探测进行仿真，对单光子源、量子信道以及单光子探测器分别建立数学模型，结合实际物理系统参数计算出器件的损耗和工作效率，计算出Bob端根据Alice端发送的模拟光子进行测量得出不同测量结果的概率。

量子密钥分发系统总的效率为η＝η_AB·η_Bob·η_D。其中，信道传输效率的计算公式为η_AB＝10^-Loss/10，Loss表示光纤信道的损耗(单位是dB)；Bob端内部的传输效率为Loss_system表示Bob端内部的损耗(单位是dB)；η_D为Bob端探测器效率。

由信号态光子引起的探测器响应的概率为p_signal＝1-e^-μη，其中μ为信号态的平均光子数。暗计数的概率为p_dark＝2·DCR·t_w，其中DCR表示暗计数的频率(单位是Hz)，t_w表示探测器进行探测的时间窗口(单位是秒)。Bob端生成的筛选码的量子比特误码率(Quantum Bit Error Rate，简称QBER)计算公式为：

其中，e_s是系统误码率，e_d是探测器产生错误测量的概率。

Bob对每个来自Alice端的字节码进行模拟测量：对于非信号态光子，Bob端不做处理；对于每个信号态光子，Bob端生成一个[0,1]之间的随机数，若该随机数在0到QBER之间，则表示Bob端对该光子的测量得到的结果与Alice端不同，若该光子携带的密钥信息为1，则测量结果为0，若该光子携带的密钥信息为0，则测量结果为1；若该随机数在QBER到1-QBER之间，则表示Bob端对该光子的测量得到的结果与Alice端相同，若该光子携带的密钥信息为1，则测量结果为1，若该光子携带的密钥信息为0，则测量结果为0。

Bob端数据格式如图3所示。第1位为选取的测量基矢，0表示正交九十度基矢，1表示斜四十五度基矢；第2位和第3位表示测量结果。00，01，10和11分别表示未响应、0号探测器相应、1号探测器相应以及两个探测器均响应。第4位至第8位为预留位，用0填充。