一种基于量子存储器的量子密钥分发方法技术

本发明专利技术提供了一种基于量子存储器的量子密钥分发方法。该方法通过在密钥分发系统中的接收端Bob中引入量子存储器这一量子器件，利用量子存储器的指示特性标记真空态，降低暗计数的影响，从而降低误码率，最终显著提高了安全码率和传输距离。本发明专利技术系统模型简单，与以往工作相比，在满足量子密钥分发安全性的前提下，成功实现了更远的传输距离。

【技术实现步骤摘要】
一种基于量子存储器的量子密钥分发方法
本专利技术涉及量子通信
，尤其涉及一种基于量子存储器的量子密钥分发方法。
技术介绍
古往今来，为了保证信息的安全性，人们的加密手段不断的更迭，从手工加密到机器加密。虽然“一次一密”的加密系统可以达到无条件安全，但是通信双方需要在通信前共享一个与明文等长的密钥，并且保证密钥不被第三方窃听，这本身就和保证明文不被窃听一样困难。目前普遍使用的密码，都只是计算安全性，只能保证密钥一定时间内的安全。随着计算机的计算速度不断的提升和新破译算法的不断提出，破译的时间越来越短，这种计算安全性终究会被打破。尤其是在量子计算机的概念提出后，这种危险越来越明显。现有的密码系统将不再安全。针对这一问题，人们利用量子力学的相关定律，提出了量子密码系统的概念。其基本思想是将量子密钥分发协议(quantumkeydistribution，QKD)和“一次一密”加密系统相结合。“一次一密”加密系统的安全性直接取决于使用的密钥是否可以满足下面要求：生成的密钥在理论上是真随机的，以及可以进行足够长的密钥安全分发。而QKD的安全性是基于物理原理的，可以理论上得到足够长且真随机的密钥，即使窃听者拥有无限的计算资源也无法破解密钥，完全可以满足“一次一密”加密系统对密钥分发方法的要求。故无条件安全的密钥分发方法和无条件安全的加密系统相结合的量子密码系统可以做到真正的无条件安全性。QKD经过三十多年的发展已经愈加成熟，其目的就是让两个远距离用户共享一串安全密钥。但是在传输过程中，除了光源本身存在一定比例的真空态之外，脉冲中的光子会被信道所“吸收”而衰减。随着传输距离越来越长，光子衰减越来越大，测量得到的信号计数也越来减少，暗计数率产生的噪声在信号计数中所占比例越来越大，最终导致误码率越来越高，安全密钥率越来越小。当传输距离超过一定界限时，就无法再生成安全密钥了。为了解决通信双方过远时的通信问题，人们提出的量子中继和可信中继的方案，它们的模型都较为复杂，其中量子中继需要纠缠光源和量子存储器，而可信中继中方案的中继站不仅需要保证是可信任的，还要保证是安全的。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种基于量子存储器的量子密钥分发方法，通过在密钥分发系统中的接收端中引入量子存储器这一量子器件，利用量子存储器的指示作用来减小暗计数对系统成码的影响，解决了基于弱相干态光源的量子密钥分发方法在远距离传输上的限制问题。本专利技术提供了一种基于量子存储器的量子密钥分发方法，所述方法包括以下步骤(以偏振编码为例)：步骤一：发送方Alice和接收方Bob首先事先约定好编码信息和{0°、90°}(Z基)、{45°、135°}(X基)这四种偏振态的对应关系：{0°、45°}代表0，{90°、135°}代表1；步骤二：Alice以概率Pμ将每个光脉冲调制为强度μ(μ＝{μ1、μ2、L、μd}，d为强度个数)并将其以概率Pz|μ(1-Pz|μ)制备成Z(X)基的0°或90°(45°或135°)偏振态，然后发送给Bob；步骤三：每个光脉冲经过量子信道，到达Bob端；首先量子存储器读入光脉冲，并根据读入的结果发出指示信号，提示Bob有无光子读入；若有光子读入，则存储器存储一定时间后释放该光子，Bob以概率选择Z基(X基)进行测量，并记录每次采取的测量基和测量结果；若没有光子读入，Bob不做测量，将其丢弃；步骤四：等所有光脉冲完成传输、测量之后，Alice和Bob开始执行对基操作；Alice向Bob公布每次制备量子态的基选择，Bob向Alice公布每次测量时的基选择；双方保留基选择相同时的数据，丢弃基选择不同时的数据，此时获得筛后密钥；步骤五：Alice和Bob选择一部分筛后密钥进行误码估计；如果误码率低于某个阈值，则进行下一个步骤；反之，则丢弃以上获得的筛后密钥，重新开始；步骤六：Alice和Bob丢弃误码估计时所用的数据，对余下的数据进行纠错、保密放大等处理后，最终Alice和Bob获得相同的若干比特安全密钥。进一步改进在于：所述方法使用的光源是弱相干态光源，利用光源中的单光子脉冲作为载体来传输、生成密钥。进一步改进在于：所述方法中使用诱骗态方法应对光子数分离攻击，每个光脉冲被随机调制成不同的强度μ(μ＝{μ1、μ2、L、μd})。通过诱骗态方法可以估算出Alice端发出单光子脉冲，在Bob端有响应的单光子脉冲概率下界和比特误码率上界比如传统BB84协议通过使用两强度诱骗态方法(μ＝{u、v、0})可得：其中Nμ为发送的脉冲数目，γ为标准误差，Qμ是系统的平均增益、EμQμ是系统的平均比特误码，e0是暗计数率引起的误码概率，表示光源强度为μ时发送一个包含光子数为n的脉冲的概率。进一步改进在于：所述方法中光脉冲经过量子信道到达Bob端后，量子存储器以一定效率读入、读出该光脉冲，同时根据读入结果，发出指示信号给Bob，Bob根据该指示信号决定是否执行测量，该指示特性可以降低暗计数率的影响，从而提高量子密钥分发的安全传输距离。本专利技术的有益效果是：量子存储器的指示特性大大降低了暗计数对误码率的影响，在远距离传输时尤为明显，从而提高了远距离时的安全成码率，传输距离有明显的提高。即便是在量子存储器的读入和读出效率都只有50％时，传输距离依然可以由原来的160km提升到220km。附图说明图1是本专利技术的系统示意图。图2是本专利技术与弱相干态光源下传统标准BB84方案(两个诱骗态：弱诱骗态和真空态)的密钥率对比图，总脉冲数目N＝1010。图3是弱相干态光源下传统标准BB84方案(两个诱骗态：弱诱骗态和真空态)在有限长效应下的密钥率曲线图。图4是本专利技术在有限长效应下的密钥率曲线图，ηQM＝0.8。具体实施方式为了加深对本专利技术的理解，下面将结合实施例对本专利技术作进一步的详述，本实施例仅用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术保护范围的限定。如图1所示，本实施例是使用BB84协议来进行密钥分发。其中，Alice包含弱相干态光源(Laser)和编码模块(encodingmodule，EM)，负责制备和发送量子态；Bob包括量子存储器(QuantumMemory，QM)和探测模块(detectionmodule，DM)，负责接收和测量。具体改进协议方案步骤如下：(1)发送方Alice和接收方Bob首先要事先约定好编码信息和{0°、90°}(Z基)、{45°、135°}(X基)这四种偏振态的对应关系：{0°、45°}代表0，{90°、135°}代表1。(2)发送端Alice通过Laser发送脉冲。为了执行诱骗态方法，脉冲首先由EM调制量子态和脉冲强度：以概率Pμ将每个光脉冲调制为强度μ(μ＝{μ1、μ2、L、μd}，d为强度个数)并将其以概率Pz|μ(1-Pz|μ)制备成Z(X)基的0°或90°(45°或135°)偏振态，然后发送给Bob；(3)每个光脉冲经过量子信道，到达Bob端。首先QM以ηin效率读入光脉冲，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于量子存储器的量子密钥分发方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤(以偏振编码为例)：/n步骤一：发送方Alice和接收方Bob首先事先约定好编码信息和{0°、90°}(Z基)、{45°、135°}(X基)这四种偏振态的对应关系：{0°、45°}代表0，{90°、135°}代表1；/n步骤二：Alice以概率P

【技术特征摘要】
1.一种基于量子存储器的量子密钥分发方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤(以偏振编码为例)：
步骤一：发送方Alice和接收方Bob首先事先约定好编码信息和{0°、90°}(Z基)、{45°、135°}(X基)这四种偏振态的对应关系：{0°、45°}代表0，{90°、135°}代表1；
步骤二：Alice以概率Pμ将每个光脉冲调制为强度μ(μ＝{μ1、μ2、L、μd}，d为强度个数)并将其以概率Pz|μ(1-Pz|μ)制备成Z(X)基的0°或90°(45°或135°)偏振态，然后发送给Bob；
步骤三：每个光脉冲经过量子信道，到达Bob端；首先量子存储器读入光脉冲，并根据读入的结果发出指示信号，提示Bob有无光子读入；若有光子读入，则存储器存储一定时间后释放该光子，Bob以概率选择Z基(X基)进行测量，并记录每次采取的测量基和测量结果；若没有光子读入，Bob不做测量，将其丢弃；
步骤四：等所有光脉冲完成传输、测量之后，Alice和Bob开始执行对基操作；Alice向Bob公布每次制备量子态的基选择，Bob向Alice公布每次测量时的基选择；双方保留基选择相同时的数据，丢弃基选择不同时的数据，此时获得筛后密钥；
步骤五：Alice和Bob选择一部分筛后密钥进行误码估计；如果误码率低于某个阈值，则进行下一个步骤；反之，则丢弃以上获得的筛后密钥，重新开始；
步骤六：Alice和B...

【专利技术属性】
技术研发人员：王琴，宋小谦，周星宇，张春梅，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32