一种连续变量量子密钥分发残余误码纠错方法及系统与流程

本发明涉及量子密钥领域，特别涉及一种连续变量量子密钥分发残余误码纠错方法及系统。

背景技术：

1、本发明涉及随着量子物理和量子信息论的发展,建立在量子力学原理基础上的量子密码学已经被证明能够提供信息论意义上的安全。其关键的一步是通过量子技术实现通信双方的安全密钥共享，该过程被称为量子密钥分发(quantum key distribution,qkd)。qkd主要包括离散变量和连续变量两大技术途径，其中连续变量量子密钥分发(continuousvariable quantum key distribution,cv-qkd)采用光场的正交分量作为信息的载体，中短传输距离内安全码率高，且可与传统光通信的大部分器件通用，是量子密钥分发技术的重要发展方向。

2、cv-qkd系统包括量子信息的产生、传输、探测和数据后处理，其整体框图如图1所示。发送端(alice)首先通过量子信道向接收端(bob)发送量子信号，bob对信号进行探测接收。然后通过经典信道上的数据后处理过程，alice和bob得到一致的安全密钥。数据后处理是获取安全密钥必不可少的重要步骤，显著影响系统整体的安全性和密钥生成速率。cv-qkd系统数据后处理的流程图如图2所示，其主要步骤如下：

3、(1)基对比——bob将探测信号时采用的测量基数据发送给alice，alice接收该数据后选出基选择一致的正交分量，基比对完成后alice和bob得到了一组关联的原始密钥。

4、(2)参数估计——alice和bob需要从原始密钥中随机选出部分数据来进行参数估计，从而计算出部分系统关键参数，并判断是否继续此轮次量子密钥分发。

5、(3)数据协商——除去做参数估计的剩余数据进入数据协商，通过一定的协商算法将连续数据离散化，从而进行误码纠错。

6、(4)误码纠错——目前误码纠错常用的纠错码为多边类型ldpc码，通过对接收到的数据不断的迭代译码完成纠错，然后alice和bob得到了一串完全相同的二进制比特序列。

7、(5)私钥放大——将误码纠错后得到的一串完全相同的二进制比特序列进行压缩，以去除其中被窃听者获取的部分信息，从而使密钥达到信息论的安全性。

8、在上述数据后处理过程中，误码纠错步骤是关键。cv-qkd系统工作在低信噪比条件下，需要低码率、长码长的纠错码。但低码率、长码长的限制条件使得ldpc码的译码矩阵很大，译码速度很慢，从而影响了系统安全密钥的产生速率。为了提高译码速度，在算法上通常采用分层译码算法，与传统的译码算法相比，其只需要一半的迭代次数就可以达到相同的译码性能。此外，在实现算法的硬件选择上，由于cv-qkd纠错译码的计算量大，通常采用gpu实现。然而，gpu的体积较大、功耗高，制约了cv-qkd的应用场景。fpga体积和功耗小，可以并行运算，可实现高效纠错译码。

9、然而，由于fpga外部存储ddr的读写速度不能满足高速译码的需求，所以在译码过程中的数据需要使用fpga的片上存储资源来存储。在fpga中，通常采用一个定点数来表示数值(定点数的位宽越大，表示的数值越精确)，而fpga的片上存储资源有限，这就限制了译码过程中数据的定点数位宽，使得数值表示不够精确，导致译码后存在残余误码，不能满足cv-qkd在误码纠错后要得到完全一致的二进制比特序列的要求，帧错误率(frame errorsrate,fer)很高，最终导致系统实际安全码率受限。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，提供了一种连续变量量子密钥分发残余误码纠错方法及系统，通过连续变量量子密钥分发系统的译码系统后增加一个错误比特纠正过程，对译码后的数据再次进行处理以高效去除残余误码，从而使得在译码过程中需要存储的数据可以采用位宽较小的定点数来表示的同时又能使译码结果满足cv-qkd的要求。

2、本发明采用的技术方案如下：一种连续变量量子密钥分发残余误码纠错方法，基于连续变量量子密钥分发系统，其特征在于，经连续变量量子密钥分发系统译码完成后，判断译码后的码元比特是否需要进行纠正；若需要则设定门限值，对译码后变量节点llr值的绝对值进行判断，若小于等于门限值，则将该变量节点译码后的码元比特确定为错误比特，并记录错误比特对应于校验矩阵的所在的列下标，对记录的列下标对应的码元比特执行纠错过程。

3、进一步的，所述判断译码后的码元比特是否需要进行纠正方法为：若接收到的码元比特对应的校正子与发送端的校正子相等，则认为接收端译码判决后的码元比特与发送端一致；若不相等，则表示译码后仍存在错误比特，需要对其进行错误比特纠正。

4、进一步的，所述设定门限值的方法：对译码的数据进行统计分析，确定错误比特对应llr值集中区域，根据集中区域设定门限值。

5、进一步的，所述纠错过程具体为：

6、步骤1、确定错误比特对应于校验矩阵所在列的下标的集合e，根据集合e获得不需要纠错的比特对应的列下标集合e'；

7、步骤2、计算集合e对应的校正子以及集合e'对应的校正子

8、其中，e'＝i\e，i＝{0,1,...,n-1}是校验矩阵所有列下标的集合；he＝{hi,i∈e}为集合e对应的矩阵，he'＝{hi,i∈e'}为集合e'对应的矩阵，hi表示矩阵h的第i列，h表示发送端码元比特对应的校验矩阵；集合表示接收端译码判决后的码元比特集合，表示集合中下标在集合e中的元素的集合，即表示译码后需要进行错误比特纠正的码元比特集合；表示译码后不需要进行错误比特纠正的码元比特集合；步骤3、计算纠错校正子sc＝s^se'；

9、步骤4、对于校验矩阵he中每一个行重为1的行，若该行的非零元素对应的行下标为j，列下标为i，则令，对接收端译码判决后的码元比特集合中元素进行替换，然后将元素i从集合e中删除以更新e；

10、步骤5、根据更新后的集合e得到集合e'以及对应矩阵he、he'，然后判断he中是否存在行重为1的行，若存在，则回到步骤2继续执行，否则结束错误比特纠正过程。

11、进一步的，所述集合e的获取方法为：e＝{i|llri≤δ}，其中，llri为接收端译码后第i个变量节点用于译码判决的llr值，δ为门限值。

12、进一步的，集合e'对应的校正子se'采用公式简化计算得到。

13、本发明还提出了一种连续变量量子密钥分发残余误码纠错系统，设置连续变量量子密钥分发系统中的误码纠错模块后，包括：

14、检验矩阵存储模块，用于存储发送端校验矩阵；

15、llr值存储模块，用于接收并存储译码纠错模块输出的码元比特的llr值；

16、错误比特列下标集合生成模块，将llr值存储模块存储的llr值与设定的门限做对比，生成标识错误比特所在位置的列下标集合e；然后根据集合e确定不需要纠错的比特对应的列下标集合e'；同时还根据接收错误比特纠错模块的结果对集合e进行更新；

17、校正子计算模块，用于根据校验矩阵存储模块中的校验矩阵，计算错误比特列下标集合生成模块中最新的集合e以及集合e'对应的校正子；

18、纠错校正子计算模块，用于根据发送端校正子以及校正子计算模块中e'对应的校正子得到用于错误比特纠正的校正子；

19、矩阵更新模块，用于根据集合e以及e'更新对应的校验矩阵he、he'；

20、错误比特纠错模块，根据校验矩阵he判断是否需要进行纠错，若需要则利用纠错校正子对错误比特进行纠错，并更新集合e，若不需要则输出纠错后的码元比特集合。

21、进一步的，所述校正子计算模块中计算过程为：集合e对应的校正子集合e'对应的校正子

22、其中，he＝{hi,i∈e}为集合e对应的矩阵，he'＝{hi,i∈e'}为集合e'对应的矩阵，hi表示矩阵h的第i列，h表示发送端码元比特对应的校验矩阵；校正子se'可以采用公式简化计算得到，其中是最新的错误比特纠正后码元比特对应的校正子；集合表示接收端译码判决后的码元比特集合，表示集合中下标在集合e中的元素的集合，即表示译码后需要进行错误比特纠正的码元比特集合；表示译码后不需要进行错误比特纠正的码元比特集合。

23、进一步的，所述纠错校正子模块中纠错校正子计算方法为：sc＝s^se'；其中s是发送端的校正子。

24、进一步的，所述错误比特纠错模块纠错过程为：对于校验矩阵he中每一个行重为1的行，若该行的非零元素对应的行下标为j，列下标为i，则令，对接收端译码判决后的码元比特集合中元素进行替换，然后将元素i从集合e中删除以更新集合e。

25、与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：本发明通过在译码系统后面增加一个错误比特纠正过程，在该纠错过程中设定一个llr值门限值，挑选出译码后需要再次处理的码元比特，改变其译码判决后的比特值，从而使得译码后的码元比特与矩阵的转置相乘得到的校正子与发送端产生的校正子相同，达到显著降低系统译码fer的目的；本方案能够去除残余误码，降低译码后的fer，显著提升译码精度。