一种基于Raptor码的量子密钥分发信息协商方法

一种基于raptor码的量子密钥分发信息协商方法
技术领域
1.本发明涉及量子通信的技术领域，尤其涉及量子密钥分发信息协商方法的技术领域。


背景技术：

2.随着科技的蓬勃发展，信息安全逐渐引起了人们的高度关注。cv-qkd系统的出现弥补了传统密码学不能够实现无条件安全的密钥分发的缺点，基于海森堡不确定性原理、测量塌缩原理和未知量子态的不可克隆原理这几个主要的量子物理原理，cv-qkd系统理论上能够实现一次一密的密钥分发安全性需求，同时也摆脱了传统加密复杂的数学计算。
3.由于在量子信道中传输信息会有所损耗，同时噪声、窃听方等等干扰会导致通信双方的原始数据并不一致。在信号制备并发送之后，cv-qkd中后处理的目的就是为了使得合法通信的双方能够得到一致的密钥。信息协商作为后处理过程中的关键一环，主要功能是通过纠错码纠正通信双方不一致的密钥。在实际场景中，cv-qkd的环境可能十分恶劣，信噪比很低，导致纠错码的纠错性能下降，为了解决这一问题，通常采用提高纠错码码长、编译码复杂度等等方法来提升纠错码的性能实现低信噪比条件下的纠错。目前，使用场景最为广泛的纠错码是多边型ldpc码(multi-edge type ldpc，met-ldpc)，这种ldpc码能够实现较高的协商效率，然而met-ldpc码不仅需要针对不同的信噪比范围设计出极其复杂的校验矩阵，而且性能会随着信噪比的微小变化而大幅削减。
4.raptor码由ldpc码和lt码级联而成，不同于固定码率的纠错码，其无码率的特性来源于同样是喷泉码的lt码，即信息的码率在传输完成之前并不能确定。raptor码的码字都是根据度分布随机产生的，无需特意设计校验矩阵。
5.专利号cn 110233728一种基于喷泉码的连续变量量子密钥分发数据协调方法中，对生成的密钥经过了完整的ldpc预编码、lt编码、lt译码和ldpc译码的一系列过程纠正了通信双方不对称的密钥。需要运用高斯消除法对ldpc校验矩阵进行变化，转化成生成矩阵从而完成编码得到最终的码字。而高斯消除法复杂度为o(n3)，n为纠错码的码长，即ldpc校验矩阵的列数。在cv-qkd的恶劣环境中，极低信噪比(《-15db)下纠错码的码长n通常需要达到10
5-106，导致cv-qkd系统的速度受到一定影响。编码过程的复杂度较高，影响cv-qkd系统的效率。


技术实现要素：

6.本发明提供了一种基于raptor码的量子密钥分发信息协商方法，采用了raptor码与cv-qkd后处理的多维信息协商算法，实现了在低信噪比下拥有较高的协商效率，有助于高速cv-qkd系统的实现；提高cv-qkd系统的效率，降低后处理过程中信息协商的复杂度。
7.一种基于raptor码的量子密钥分发信息协商方法，包括如下步骤：
8.步骤1：在反向协商的前提下，发送方alice制备量子态，通过量子信道传输给接收方bob，bob通过测量得到其原始数据，然后将双方各自的原始数据分组，每d个连续高斯变
量组成一个d维向量；
9.步骤2：bob端随机产生原始密钥，对原始密钥进行lt编码产生码字，同时随机构造ldpc校验矩阵，计算校验子并通过经典信道发送给alice；
10.步骤3：将步骤2产生的码字转化为球形序列，即球形序列的所有元素都位于以0为中心的球面上；
11.步骤4：在步骤3转换完之后，接收方bob根据归一化后的原始数据和球形序列计算映射函数，并将映射函数通过经典信道发送给alice；
12.步骤5：在alice接收到步骤4的映射函数后，将自己的归一化序列同样进行映射得到序列，然后对序列先进行lt译码得到对数似然比值，再基于校验子进行ldpc译码，如果译码成功，成功纠错，alice和bob就能够得到对称密钥，继续下一轮的信息协商；如果译码失败，重复步骤2-步骤5，bob继续进行编码生成更多的码字并计算映射函数发送给alice，直到alice能够成功译码。
13.优选的是，本发明步骤1的具体过程为：反向协商的前提下，发送方alice的原始数据为x，据为x，代表原始数据x的调制方差，量子信道的噪声为z，代表原始数据x的调制方差，量子信道的噪声为z，代表噪声z的方差，接收方bob的原始数据y表示为y＝x+z，
14.将各自的原始数据x、y分组，每d个连续高斯变量组成1个d维向量，将每个d维向量进行归一化得到x、y，x＝x/||x||，y＝y/||y||，进行归一化得到x、y，x＝x/||x||，y＝y/||y||，其中d为多维协商的维度，根据合成代数的赫尔维茨定理，d的值仅限于1、2、4、8。
15.优选的是，本发明步骤2的具体过程为：bob端随机产生长度为k的二进制随机数mk作为原始密钥，对原始密钥mk进行lt编码产生长度为n的码字cn，同时随机构造ldpc校验矩阵h
ldpc
，计算校验子syn＝h
ldpc
*mk并通过经典信道发送给alice。
16.优选的是，本发明步骤3的具体过程为：由于二进制序列不能够直接用于多维协商中，将产生的码字进一步转化为球形序列un，即un的所有元素都位于以0为中心的球面上，
17.优选的是，本发明步骤4的具体过程为：在步骤3转换完之后，bob根据归一化后的原始数据y和球形序列un计算映射函数m(y,un)，满足m(y,un)*y＝un，并将映射函数m(y,un)通过经典信道发送给alice。
18.优选的是，本发明步骤5的具体过程为：在alice接收到映射函数之后，将自己的归一化序列x同样进行映射得到序列vn，即vn＝m(y,un)*x，然后对序列vn先进行lt译码得到再基于和syn进行ldpc译码得到如果译码成功，成功纠错，alice和bob就能够得到对称密钥，继续下一轮的信息协商；如果译码失败，重复步骤2-步骤5，bob继续进行编码生成更多的码字并计算映射函数发送给alice，直到alice能够成功译码。
19.本发明不需要对ldpc校验矩阵h
ldpc
进行高斯消除法；结合校验子syn进行ldpc译码。与传统cv-qkd后处理中基于喷泉码的信息协商相比，同样结合无码率纠错码和多维协商，能够在低信噪比条件下达到较高的协商效率，不需要像固定码率的纠错码去刻意构造低码率的校验矩阵，且可以省去将预编码校验矩阵转化成生成矩阵进行预编码的步骤，而
是通过校验子辅助的ldpc译码进一步纠正lt译码的结果，减少了后处理信息协商的复杂度。
附图说明
20.图1是本发明分发信息协商方法的时序图。
21.图2是本发明分发信息协商方法的具体流程示意图。
具体实施方式
22.如图1所示，一种基于raptor码的量子密钥分发信息协商方法，包括如下步骤：
23.步骤1：在反向协商的前提下，发送方alice制备量子态，通过量子信道传输给接收方bob，bob通过测量得到其原始数据，然后将双方各自的原始数据分组，每d个连续高斯变量组成一个d维向量；
24.步骤2：bob端随机产生原始密钥，对原始密钥进行lt编码产生码字，同时随机构造ldpc校验矩阵，计算校验子并通过经典信道发送给alice；
25.步骤3：将步骤2产生的码字转化为球形序列，即球形序列的所有元素都位于以0为中心的球面上；
26.步骤4：在步骤3转换完之后，接收方bob根据归一化后的原始数据和球形序列计算映射函数，并将映射函数通过经典信道发送给alice；
27.步骤5：在alice接收到步骤4的映射函数后，将自己的归一化序列同样进行映射得到序列，然后对序列先进行lt译码得到对数似然比，再基于校验子进行ldpc译码，如果译码成功，成功纠错，alice和bob就能够得到对称密钥，继续下一轮的信息协商；如果译码失败，重复步骤2-步骤5，bob继续进行编码生成更多的码字并计算映射函数发送给alice，直到alice能够成功译码。
28.如图2所示，本发明的基于raptor码的量子密钥分发信息协商方法，具体过程为：
29.反向协商的前提下，发送方alice的原始数据为x，量子信道的噪声为z，接收方bob的原始数据y表示为y＝x+z，将各自的原始数据x、y分组，每d个连续高斯变量组成1个d维向量，将每个d维向量进行归一化得到x、y，x＝x/||x||，y＝y/||y||，x＝x/||x||，y＝y/||y||，其中d为多维协商的维度，根据合成代数的赫尔维茨定理，d的值仅限于1、2、4、8，通常取d＝8时协商性能最好。
30.bob端随机产生长度为k的二进制随机数mk作为原始密钥，对原始密钥mk进行lt编码产生长度为n的码字cn，同时随机构造ldpc校验矩阵h
ldpc
，计算校验子syn＝h
ldpc
*mk并通过经典信道发送给alice。
31.由于二进制序列不能够直接用于多维协商中，将产生的码字进一步转化为球形序列un，即un的所有元素都位于以0为中心的球面上，
32.在步骤3转换完之后，bob根据归一化后的原始数据y和球形序列un计算映射函数m(y,un)，满足m(y,un)*y＝un，并将映射函数m(y,un)通过经典信道发送给alice。
33.在alice接收到映射函数之后，将自己的归一化序列x同样进行映射得到序列vn，
即vn＝m(y,un)*x，然后对序列vn先进行lt译码得到再基于和syn进行ldpc译码得到如果译码成功，成功纠错，alice和bob就能够得到对称密钥，继续下一轮的信息协商；如果译码失败，重复步骤2-步骤5，bob继续进行编码生成更多的码字并计算映射函数发送给alice，直到alice能够成功译码。
34.现有技术的喷泉码数据协调方案中，由量子随机数发生器产生二进制随机数作为密钥，然后在bob端对密钥依次进行ldpc编码和lt编码，在alice端对映射后的数据依次进行lt译码和ldpc译码。而在本发明中抛弃ldpc编码，在bob端对密钥直接进行lt编码，同时构造ldpc校验矩阵h
ldpc
结合密钥计算校验子syn。在alice端对映射后的数据依次经过lt译码和syn辅助的ldpc译码，即在原来ldpc和积译码算法的基础上结合校验子syn完成ldpc译码帮助lt译码进一步纠错。