连续变量量子密钥分发数据协调FPGA异构加速方法技术

本发明专利技术公开了一种连续变量量子密钥分发数据协调FPGA异构加速方法，解决CV‑QKD系统中数据协调的SEC(slice error correction，样条错误纠正)协议的并行加速问题，SEC协议采用多级译码方式，各级分别进行LDPC译码，译码算法采用对数域译码。LDPC码的校验矩阵为随机稀疏矩阵，译码需要多次BP(Belief Propagation)信息迭代方能校正错码。应用于CV‑QKD系统数据协调中的LDPC码的校验矩阵规模大，规模达到20万´20万，使得存贮困难、译码速度非常缓慢，系统时延长，影响实用性。本方案采用基于OpenCL的CPU+FPGA异构计算的处理模式，对LDPC译码过程进行并行化处理，提出了一种静态十字双向循环链表存贮庞大LDPC码的校验矩阵的方案，从而提高了整个数据协调方案的速率。

A Heterogeneous Acceleration Method for Data Coordination of Continuous Variable Quantum Key Distribution in FPGA

The invention discloses a heterogeneous acceleration method for data coordination of continuous variable quantum key distribution in FPGA, which solves the parallel acceleration problem of SEC (slice error correction, spline error correction) protocol of data coordination in CV QKD system. SEC protocol adopts multi-level decoding mode, LDPC decoding at all levels, and logarithmic domain decoding algorithm. The check matrix of LDPC codes is a random sparse matrix, and decoding requires multiple iterations of BP (Belief Propagation) information to correct error codes. The check matrix of LDPC codes used in data coordination of CV QKD system is large in scale, reaching 200,000 to 200,000, which makes storage difficult, decoding speed very slow, system time prolonged and affects practicability. In this scheme, the decoding process of LDPC is parallelized by using the heterogeneous computing mode of CPU+FPGA based on OpenCL, and a scheme of static cross-bidirectional cyclic list storing a large check matrix of LDPC codes is proposed, which improves the speed of the whole data coordination scheme.

【技术实现步骤摘要】
连续变量量子密钥分发数据协调FPGA异构加速方法
本专利技术属于数据处理
，具体涉及一种连续变量量子密钥分发数据协调FPGA异构加速方法。
技术介绍
连续变量量子密钥分发(Continuous-variableQuantumKeyDistribution，CV-QKD)是近年来量子保密通信系统新兴的研究方向之一。它是基于量子态的点对点保密通信技术，具有保密性强、光源的抗噪声能力比较强且稳定、可实现性强等特点。CV-QKD系统的基本流程如图1所示，其中CV-QKD的步骤包括：1)Alice发送端使用连续变量光场产生服从高斯分布的随机数xA和pA，通过量子通信信道发送到接收端Bob。2)Bob接收端收到Alice端发送的包含量子态的消息序列后，随机抽取对其进行平衡零拍探测。多次重复步骤1，2，收发双方得到一组相关的裸码数据。3)公开部分裸码数据，通过这部分数据计算出信道参数(T,ε)、互信息量IAB和窃听者能够窃听的最大密钥量χBE，通过以上信息计算得到安全密钥速率K＝βIAB-χBE。将可能泄露的数据通过私密放大全部清除，从而得到安全密钥。4)接下来，双方利用反向协调程序，使得双本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种连续变量量子密钥分发数据协调FPGA异构加速方法，其特征在于，包括以下步骤：在通信发送端构建静态十字双向循环链表，并用静态十字双向循环链表的数据结构来存贮超大稀疏校验矩阵H；通信发送端发送量子相干态光脉冲X，通过量子通信信道发送到接收端，通过零拍探测器探测后接收序列Y；通信接收端对连续变量Y进行16电平的非均匀量化得到Y′；，然后将量化值Y′映射为4级二进制码字L1，L2，L3，L4，其中，L1、L2完全公开，不参与译码过程，L3、L4序列由优化方法构建的各自的校验矩阵H3和H4，通过公式Sj＝Lj×Hj计算出各自的校验子S3、S4，将L1、L2、S3、S4通过公开信道传输到发送端；通...

【技术特征摘要】
1.一种连续变量量子密钥分发数据协调FPGA异构加速方法，其特征在于，包括以下步骤：在通信发送端构建静态十字双向循环链表，并用静态十字双向循环链表的数据结构来存贮超大稀疏校验矩阵H；通信发送端发送量子相干态光脉冲X，通过量子通信信道发送到接收端，通过零拍探测器探测后接收序列Y；通信接收端对连续变量Y进行16电平的非均匀量化得到Y′；，然后将量化值Y′映射为4级二进制码字L1，L2，L3，L4，其中，L1、L2完全公开，不参与译码过程，L3、L4序列由优化方法构建的各自的校验矩阵H3和H4，通过公式Sj＝Lj×Hj计算出各自的校验子S3、S4，将L1、L2、S3、S4通过公开信道传输到发送端；通信发送端根据xA和pA、校验子S3、S4以及L1、L2进行Slepain-Wolf式译码，最后得到译码结果与实现数据协调。2.根据权利要求1所述的连续变量量子密钥分发数据协调FPGA异构加速方法，其特征在于，构建静态十字双向循环链表，并用静态十字双向循环链表的数据结构来存贮超大稀疏校验矩阵H的步骤中，还包括步骤：在host主机程序中创建静态十字双向循环链表数据结构；创建行头指针与列头指针数组，分别逐个指向各行及各列第一个非零元素的位置信息；对创建的静态十字双向循环链表按照OpenCL编程规范进行规范化；host端通过OpenCL语言定义的接口clEnqueueWriteBuffer()与c...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭大波，冯强，穆健穆，贺超，
申请(专利权)人：山西大学，
类型：发明
国别省市：山西,14