基于自由空间CVQKD系统的参数估计方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种基于自由空间CVQKD系统的参数估计方法及系统，对大气信道的子信道划分，通过接收端本振光强的闪烁指数将大气信道划分为若干个子信道，同时获得子信道的散粒噪声；对系统相关参数的估计，依据划分的子信道，通过参数估计得到不同子信道下的相关参数的估计值，然后依据参数估计值计算密钥率，以此判断信道是否安全；进行密钥提取，通过后选择方法，保留对密钥率贡献较大的子信道，从中提取密钥，得到系统最终密钥。本发明专利技术通过对自由空间CVQKD系统的大气信道进行子信道划分，获取各个子信道下的参数估计值及实时密钥率，并结合后选择技术提升系统性能。

Parameter estimation method and system of cvqkd system based on free space

The invention provides a parameter estimation method and system based on free space cvqkd system, which divides the atmospheric channel into several subchannels by the scintillation index of the local oscillator light intensity of the receiving end, and obtains the shot noise of the subchannel at the same time; for the estimation of system related parameters, different subchannels are obtained by parameter estimation according to the divided subchannels The key rate is calculated according to the estimated value of the relevant parameters, so as to judge whether the channel is safe or not; the key is extracted, and the subchannel that contributes a lot to the key rate is reserved through the post selection method, from which the key is extracted to get the final key of the system. The invention obtains parameter estimation value and real-time key rate under each subchannel through subchannel division of atmospheric channel of free space cvqkd system, and improves system performance by combining post selection technology.

【技术实现步骤摘要】
基于自由空间CVQKD系统的参数估计方法及系统
本专利技术涉及信息安全
，具体地，涉及一种基于自由空间CVQKD系统的参数估计方法及系统，尤其是涉及一种连续变量量子密钥分发的参数估计方法，是一项基于自由空间高斯调制相干态连续变量量子密钥分发(GMCSCVQKD)而设计的参数估计方法。
技术介绍
连续变量量子密钥分发是有别于传统通信的一项技术，其主要利用测不准原理和量子态不可克隆定理来实现通信的无条件安全。因其能够与现有的光通信技术兼容的潜在优势，光纤信道CVQKD吸引了许多科研人员参与研究。自由空间CVQKD作为构建全球量子密钥分发网络的重要组成部分，为了使其与光纤信道CVQKD更好地融合发展，近年来，自由空间信道下连续变量量子密钥分发的研究成为CVQKD的研究热点之一。CVQKD一般包括两个阶段：(1)量子信息传输阶段：量子信号通过量子信道传输，然后通过零/外差检测器测量；(2)经典信息后处理阶段：其中部分数据应用参数估计对系统安全性进行评估，其余部分通过反向协商及保密增强等技术提取最终密钥。而参数估计作为CVQKD经典信息后处理阶段中的关键一环，它帮助通信双方评估系统的实际安全性，并获得用于后续处理相关的参数。在量子信道由合法通信方估计的情况下，量子力学原理对可能泄露给潜在窃听者的信息施加上限。然而，自由空间信道CVQKD参数估计方法的研究目前几乎处于空白状态。与光纤信道相比，自由空间信道的透射率在时间上是随机波动的，因此，光纤信道CVQKD的参数估计方法不能直接应用于自由空间信道CVQKD。>与本申请相关的现有技术是专利文献CN104539582A，公开一种连续变量量子密钥分发安全防御方法，包括：步骤A：散粒噪声监控，通过实时监控接收端本振光强来评估散粒噪声方差；步骤B：密钥率计算，根据步骤A所估计的实时散粒噪声方差，计算运行密钥率；上述两个步骤同时并行执行。是一种通过对CVQKD系统接收端的本振光进行监控的方法，获取系统运行时的散粒噪声方差，并结合参数估计方法获取系统实时运行密钥率从而对系统安全性提出安全预警。但是上述专利文献是针对透过率恒定进行设计，仅适用于光纤信道。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种基于自由空间CVQKD系统的参数估计方法及系统。根据本专利技术提供的一种基于自由空间CVQKD系统的参数估计系统，包括：子信道划分模块：接收端对发送端发送的光信号进行分离，得到信号光、本振光，通过本振光的闪烁指数，对大气信道划分为多个子信道，得到各个子信道的散粒噪声；参数估计模块：接收端对信号光进行检测，得到初始关联信息，基于初始关联信息对各个子信道进行参数评估，得到参数估计值，结合参数估计值和散粒噪声计算密钥率；密钥选择模块：提取密钥率，对各个子信道的密钥率进行选择，得到最终密钥。根据本专利技术提供的一种基于自由空间CVQKD系统的参数估计方法，包括：子信道划分步骤：接收端对发送端发送的光信号进行分离，得到信号光、本振光，通过本振光的闪烁指数，对大气信道划分为多个子信道，得到各个子信道的散粒噪声；参数估计步骤：接收端对信号光进行检测，得到初始关联信息，基于初始关联信息对各个子信道进行参数评估，得到参数估计值，结合参数估计值和散粒噪声计算密钥率；密钥选择步骤：提取密钥率，对各个子信道的密钥率进行选择，得到最终密钥。优选地，所述发送端使用高斯随机数调制相干态信号，形成调制后的量子信号，将量子信号通过大气信道发送给接收端；接收端通过分束器分出本振光，根据本振光光强的闪烁指数监测将大气信道划分为M个子信道，获得各个子信道的散粒噪声，记为{Nk}k＝1,2,…,M，其中，k表示第k个子信道，Nk表示第k个子信道的散粒噪声，M表示子信道的总个数。优选地，所述闪烁指数是本振光的光强起伏方差与光强均值平方的比值，通过下式计算：其中，表示本振光强的闪烁指数；r表示接收光束的质心与接收孔径中心的偏差值；L表示传输距离；I2(r,L)表示实时监测下的瞬时本振光强；I(r,L)表示实时监测下的瞬时本振光强；U表示光电转换后，瞬时光强所对应的电压信号；<.>表示进行统计平均值。优选地，所述发送端向接收端发送共享数据{xi}i＝1,2,…,N，接收端检测后接收共享数据后，提取各个子信道存储数据{yi}i＝1,2,…,N，得到参数估计数据满足以下关系：其中，tk表示第k个子信道上发送端数据与接收端数据的关联系数；xk表示第k个子信道上的发送端数据；yk表示第k个子信道上的接收端数据；zk表示第k个子信道上的噪声，满足均值为零，方差的高斯分布；η表示接收端的预选测量得到的探测效率；vel表示接收端的预选测量得到的电噪声；Tk表示第k个子信道的透过率；εk表示第k个子信道的过噪声；Nk是第k个子信道的散粒噪声。优选地，所述参数的估计值通过下式得到：其中，表示第k个子信道上发送端数据与接收端数据的关联系数的估计值；表示在第k个子信道上，在M组数据中随机选择的用于参数评估的m组数据；表示第k个子信道上噪声zk的方差的估计值；表示第k个子信道内信号调制方差估计值。优选地，所述第k个子信道的参数的估计值通过下式得到：其中，表示第k个子信道内信号调制方差的估计值；表示第k个子信道的信道透过率的估计值；表示第k个子信道的过噪声的估计值，表示第k个子信道的总噪声的估计值。优选地，所述大气信道的参数的估计值通过下式得到：其中，表示大气信道的平均透过率；M′表示大气子信道的信道透过率分布数；表示信道透过率Tk对应的概率；表示过噪声εk对应的概率；表示总噪声对应的概率；表示调制方差对应的概率；表示大气信道平均过噪声；是信号平均调制方差；是大气信道总噪声；是第k个子信道的总噪声。优选地，第k个子信道密钥率K(k)和系统密钥率K计算如下：K＝(1-P)(βIAB-χBE)(6b)其中，K(k)表示第k个子信道密钥率；β表示反向协商效率；表示第k个子信道上发送端与接收端之间的互信息量；表示第k个子信道上窃听者与接收端之间的互信息量；K表示系统密钥率；IAB表示系统中发送端与接收端之间的互信息量；χBE表示系统中窃听者与接收端之间的互信息量；Pk表示第k个子信道的通信中断概率；P表示系统通信中断概率。优选地，其中，G(x)表示Shannon熵，G(x)＝(x+1)log2(x+1)-xlog2x；表示第k个子信道上协方差矩阵的辛本征值；λi表示系统协方差矩本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于自由空间CVQKD系统的参数估计方法，其特征在于，包括：/n子信道划分步骤：接收端对发送端发送的光信号进行分离，得到信号光、本振光，通过本振光的闪烁指数，对大气信道划分为多个子信道，得到各个子信道的散粒噪声；/n参数估计步骤：接收端对信号光进行检测，得到初始关联信息，基于初始关联信息对各个子信道进行参数评估，得到参数估计值，结合参数估计值和散粒噪声计算密钥率；/n密钥选择步骤：提取密钥率，对各个子信道的密钥率进行选择，得到最终密钥。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于自由空间CVQKD系统的参数估计方法，其特征在于，包括：
子信道划分步骤：接收端对发送端发送的光信号进行分离，得到信号光、本振光，通过本振光的闪烁指数，对大气信道划分为多个子信道，得到各个子信道的散粒噪声；
参数估计步骤：接收端对信号光进行检测，得到初始关联信息，基于初始关联信息对各个子信道进行参数评估，得到参数估计值，结合参数估计值和散粒噪声计算密钥率；
密钥选择步骤：提取密钥率，对各个子信道的密钥率进行选择，得到最终密钥。


2.根据权利要求1所述的基于自由空间CVQKD系统的参数估计方法，其特征在于，所述发送端使用高斯随机数调制相干态信号，形成调制后的量子信号，将量子信号通过大气信道发送给接收端；
接收端通过分束器分出本振光，根据本振光光强的闪烁指数监测将大气信道划分为M个子信道，获得各个子信道的散粒噪声，记为{Nk}k＝1,2,…,M，其中，k表示第k个子信道，Nk表示第k个子信道的散粒噪声，M表示子信道的总个数。


3.根据权利要求1所述的基于自由空间CVQKD系统的参数估计方法，其特征在于，所述闪烁指数是本振光的光强起伏方差与光强均值平方的比值，通过下式计算：



其中，表示本振光强的闪烁指数；
r表示接收光束的质心与接收孔径中心的偏差值；
L表示传输距离；
I(r,L)表示实时监测下的瞬时本振光强；
I2(r,L)表示实时监测下的瞬时本振光强的平方；
U表示光电转换后，瞬时光强所对应的电压信号；
<.>表示进行统计平均值。


4.根据权利要求1所述的基于自由空间CVQKD系统的参数估计方法，其特征在于，所述发送端向接收端发送共享数据{xi}i＝1,2,…,N，接收端检测后接收共享数据后，提取各个子信道存储数据{yi}i＝1,2,…,N，得到参数估计数据满足以下关系：



其中，tk表示第k个子信道上发送端数据与接收端数据的关联系数；
xk表示第k个子信道上的发送端数据；
yk表示第k个子信道上的接收端数据；
zk表示第k个子信道上的噪声，满足均值为零，方差的高斯分布；
η表示接收端的预选测量得到的探测效率；
vel表示接收端的预选测量得到的电噪声；
Tk表示第k个子信道的透过率；
εk表示第k个子信道的过噪声；
Nk是第k个子信道的散粒噪声。


5.根据权利要求4所述的基于自由空间CVQKD系统的参数估计方法，其特征在于，所述参数的估计值通过下式得到：



其中，表示第k个子信道上发送端数据与接收端数据的关联系数的估计值；

表示在第k个子信道上，在M组数据中随机选择的用于参数评估的m组数据；

【专利技术属性】
技术研发人员：黄鹏，柴庚，汪超，曾贵华，
申请(专利权)人：上海循态信息科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31