一种基于优势提取的相位匹配量子密钥分发方法

本发明涉及一种基于优势提取的相位匹配量子密钥分发方法，属于量子通信。

背景技术：

1、量子密钥分发(qkd)可以保证合法通信双方alice和bob即使在存在窃听者eve的情况下，仍然可以分发无条件安全的密钥。在过去的几十年里，qkd在理论和实验方面都发展迅速，不断有性能优越的新协议出现。然而这些协议的成码率和信道透过率之间的关系都是r～o(η)，该关系被认为是无量子中继的qkd协议的线性上界。

2、2018年东芝欧洲研究所的lucamarini等人提出双场量子密钥分发(tf-qkd)协议，打破了r～o(η)的线性上界，该协议的成码率和信道透过率的关系是受原始tf-qkd协议启发，各种变体tf-qkd协议随后被提出，其中一些协议已经在实验中被验证。在这些变体协议中，相位匹配量子密钥分发(pm-qkd)协议在本底误码率较大时仍然可以打破线性上界。王瑞强等人在文献[new journal of physics 24(7),073049(2022)]中提出使用优势提取(ad)技术来提高pm-qkd性能，但其仅考虑了在渐进情况下使用无穷诱骗态时的表现。在实际pm-qkd系统中，发送的弱相干态脉冲数量是有限的，由此产生的有限码长效应无法忽略。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于优势提取的相位匹配量子密钥分发方法，解决有限码长效应导致pm-qkd性能仍不理想的技术问题。

2、为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

3、本发明提供了一种基于优势提取的相位匹配量子密钥分发方法，包括：

4、通信方alice和bob分别制备相干态脉冲，并发送至通信方eve；

5、响应于接收到所述相干态脉冲，所述通信方eve对所述相干态脉冲进行干涉测量，记录测量结果并公布；

6、响应于接收到所述测量结果，所述通信方alice和bob获取成功事件，并保留满足第一预设条件的所述成功事件；

7、重复以上步骤n次，获取各满足第一预设条件的所述成功事件，并进行密钥筛选获取原始密钥；

8、响应于获取到所述原始密钥，所述通信方alice和bob分别估计出所述相干态脉冲的信道增益和z基下的误码率；

9、响应于所述误码率小于等于相应的预设阈值，对于各满足第二预设条件的所述成功事件，所述通信方alice和bob对所述原始密钥进行优势提取，更新原始密钥；

10、所述通信方alice和bob对所述原始密钥执行密钥纠错和保密放大，获取最终共享的安全密钥。

11、可选的，所述通信方alice和bob分别制备相干态脉冲包括：

12、通信方alice和bob分别从编码比特{0,1}中随机挑选一元素作为发送比特，记作ka,kb；

13、通信方alice和bob分别从光强中随机挑选一元素作为光脉冲强度，记作μa,μb，其中，μ、v、o分别为信号态信号、诱骗态信号、保留真空态信号的光脉冲强度，满足μ>v>o＝0；

14、通信方alice和bob分别从相位集合中随机挑选一元素作为脉冲相位，记作其中，m为相位分片数，ja、jb为随机数，ja、jb∈[0,m-1]；

15、通信方alice和bob分别根据发送比特ka,kb、光脉冲强度μa,μb、脉冲相位制备相干态脉冲：其中，i为虚数单位。

16、可选的，所述成功事件为所述通信方eve的l探测器和r探测器有且仅有一个响应。

17、可选的，所述保留满足第一预设条件的所述成功事件包括：

18、对于所述成功事件，所述通信方alice和bob彼此公布各自的脉冲强度μa，μb和脉冲相位

19、当满足第一预设条件，则保留相应的所述成功事件；所述第一预设条件为μa＝μb且ja＝jb或ja＝jb±m/2。

20、可选的，所述进行密钥筛选获取原始密钥包括：

21、所述通信方alice和bob将发送比特ka，kb作为原始密钥keya，keyb；

22、若所述通信方eve的r探测器响应，则所述通信方bob将所述原始密钥keyb进行比特翻转；

23、所述通信方alice和bob将所述原始密钥keya，keyb按照js＝ja-jb分组；

24、对于js＝±m/2的分组，所述通信方bob将所述原始密钥keyb进行比特翻转。

25、可选的，所述第二预设条件为μa＝μb＝μ/2。

26、可选的，所述通信方alice和bob对所述原始密钥进行优势提取包括：

27、所述通信方alice将其原始密钥划分为长度为b的比特块{x1，x2，…，xb}；

28、将所述比特块{x1，x2，…，xb}与一个随机选择的二进制数值r进行按位异或，得到比特块{c1，c2，…，cb}；

29、在一个可信认证的经典信道中向所述通信方bob公布比特块{c1，c2，…，cb}；

30、所述通信方bob将其原始密钥划分为长度为b的比特块{y1，y2，…，yb}；

31、将所述比特块{c1，c2，…，cb}与{y1，y2，…，yb}进行按位异或，得到比特块{d1，d2，…，db}；

32、若比特块{d1，d2，…，db}全为0或全为1，则所述通信方alice和bob分别保留其比特块{x1，x2，…，xb}和{y1，y2，…，yb}的第一个比特x1和y1作为原始密钥；

33、若比特块{d1,d2,…,db}同时存在0和1，则所述通信方alice和bob分别舍弃其比特块{x1,x2,…,xb}和{y1,y2,…,yb}。

34、可选的，采用诱骗态技术估计出x基下的误码率，计算所述安全密钥的密钥率r为：

35、

36、

37、s.t.：

38、λ2+λ3＝eμ

39、

40、λ0+λ1+λ2+λ3＝1

41、psucc＝(eμ)b+(1-eμ)b

42、

43、

44、

45、

46、

47、式中，h为香农二元熵函数，f为纠错协商效率，分别为x基下误码率的下界和上界，λ0,λ1,λ2,λ3,均为变量。

48、可选的，采用诱骗态技术估计出x基和y基下的误码率，计算所述安全密钥的密钥率r为：

49、

50、

51、s.t.：

52、λ2+λ3＝eμ

53、

54、

55、λ0+λ1+λ2+λ3＝1

56、psucc＝(eλ)b+(1-eμ)b

57、

58、

59、

60、

61、

62、式中，h为香农二元熵函数，f为纠错协商效率，分别为x基下误码率的下界和上界，分别为y基下误码率的下界和上界，λ0,λ1,λ2,λ3,均为变量。

63、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

64、本发明提供的一种基于优势提取的相位匹配量子密钥分发方法，通过采用优势提取技术，更新原始密钥，可以显著提升诱骗态及脉冲数目有限时的pm-qkd性能；本发明通过同时使用x,y,z基下的误码率来估计窃听者信息量，可以进一步提高实际pm-qkd系统在远距离及本底误码率较大时的性能。