一种量子密钥分配方法及量子通信系统技术方案

本发明专利技术公开了一种量子密钥分配方法及量子通信系统，其方法包括以下步骤：S1：第一发送方和第二发送方将信息进行基于轨道角动量的斐波那契值编码；S2：第一发送方和第二发送方将各自已编码斐波那契值的轨道角动量状态的光子发送给接收方；S3：接收方给出输出响应；S4：第一发送方和所述第二发送方根据所述接收方的输出响应选择是否需要进行比特反转，从而确定的最终斐波那契值编码方式；S5：第一发送方和第二发送方使用经典信息交换建立原始密钥字符串，并利用步骤S4所确定的最终斐波那契值编码方式构造对角矩阵作为初始密钥矩阵。其效果是：基独立性强，密钥生成率高，系统安全性更好。

【技术实现步骤摘要】
一种量子密钥分配方法及量子通信系统
本专利技术涉及量子通信技术，更具体地说，涉及一种量子密钥分配方法及量子通信系统。
技术介绍
自从Bennett和Brassard提出他们的量子密钥分发(QKD)协议(BB84)以来，许多作者研究了协议背后的理论并根据协议进行了实验。然而，仔细研究这些协议及其实施过程，其各种不足暴露出，主要包括：(1)低编码容量，因为平均单个光子只能在0.5比特上承载0.5位信息；(2)QKD协议易受到探测器致盲攻击，该攻击可使敌手(Eve)在未被检测出的情况下获得共享密钥。为了解决第一个不足，轨道角动量(OAM)提出可以用来大大提高编码能力容量。基于自旋角动量(SAM)BB84，只有两个状态；然而基于OAM的协议具有无限数量的相互正交状态。OAM具有多个状态，并且这些状态之间具有正交性，这些为量子通信的物理基础提供了巨大的潜力。而且，在传输过程中，系统自旋角动量需要实时检测以防止由偏差引起的故障，而OAM不需要通信各方实时调整参考系统。最重要的是，通过相同频率的OAM在不同状态和不同的信息也可以编码成这些OAM的不同状态，系统通信能力可以改进，从而实现安全的量子通讯。第二个不足可以通过设计一个与设备无关的QKD(DIQKD)协议来解决。在DIQKD协议中，光源和检测器可以由一个不受信任的第三方(Charlie查理)控制。通信方(Alice)爱丽丝和(Bob)鲍勃可以仅通过违反贝尔不等式来建立共享密钥。不幸的是，这种假设在实践中很难实现。有人提出了与测量设备无关的QKD(MDIQKD)协议。在MDIQKD协议中，所有被信道攻击将变为不可能。在基准备和测量过程中需要付出一定的代价，爱丽丝和鲍勃需要实时检测和调整参考系。极化状态也可能在传播过程中发生变化，这会影响协议的密钥速率。由于MDIQKD协议基相关的，因此密钥生成速度很慢。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术首先提供一种量子密钥分配方法，通过使用OAM态来改进MDIQKD的性能，这解决了MDIQKD的依赖性问题，并提高了编码能力和密钥生成率，通过后选择和位翻转提升协议安全性。为实现上述目的，本专利技术所采用的具体技术方案如下：一种量子密钥分配方法，其关键在于包括以下步骤：S1：第一发送方和第二发送方将信息进行基于轨道角动量的斐波那契值编码；S2：所述第一发送方和所述第二发送方将各自已编码斐波那契值的轨道角动量状态的光子发送给接收方；S3：所述接收方给出输出响应；S4：所述第一发送方和所述第二发送方根据所述接收方的输出响应选择是否需要进行比特反转，从而确定的最终斐波那契值编码方式；S5：所述第一发送方和所述第二发送方使用经典信息交换建立原始密钥字符串，并利用步骤S4所确定的最终斐波那契值编码方式构造对角矩阵M作为初始密钥矩阵。可选地，所述第一发送方和所述第二发送方将信息按照：B1＝{|Fn>,|-Fn>}或进行基于轨道角动量的斐波那契值编码，其中|Fn>,|-Fn>表示携带轨道角动量值为+Fnφ或-Fnφ的光子态，φ分别表示横向方位角。可选地，还包括步骤S6:所述第一发送方和所述第二发送方使用矩阵扩展和压缩来实现初始密钥矩阵M的隐私放大。可选地，步骤S6的具体过程包括：S61：将初始密钥矩阵M添加更多的原始行向量数据将其扩展为矩阵M′；同时将初始密钥矩阵M添加更多的原始列向量数据将其扩展为矩阵M″；S62：按照获得隐私放大后的密钥矩阵可选地，所述接收方中设置有一个分束器和两个偏振分束器，且通过两个偏振分束器获得光子极化测量值，从而给出输出响应。可选地，步骤S4需要进行比特反转的情况有：1)当接收方输出响应状态为包括：2)当接收方输出响应状态为且响应坍缩为其中：输出响应状态为包括：响应坍缩为包括：其中：|c1>,|c2＞分别表示从分支c射出的第一光子和第二光子；|d1＞,|d2＞分别表示从分支d射出的第一光子和第二光子；表示张量运算符号。基于上述方法，本专利技术还提出一种量子通信系统，系统中采用了上述任意一种量子密钥分配方法进行密钥分配。本专利技术的技术效果是：本专利技术采用轨道角动量可实现高容量，无需校准的量子密钥分配，通过使用具有空间自由度的双光子干涉，极化自由度和斐波那契值，从而可实现一种新的基于轨道角动量与测量设备无关的量子密钥分配，在分配过程中，利用自发参量下转换(SPDC)，第一发送方和第二发送方制备极化的两光子态，然后将其发送给第三方(接收方甚至可以是窃听者)，第三方负责测量并发布测量的结果。最后，第一发送方和第二发送方执行后选择和位翻转以获得原始密钥，即斐波那契值对角矩阵，其安全性能够得到明显提升。附图说明下面将结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明，附图中：图1为本专利技术的方法步骤流程图；图2为密钥矩阵隐私放大的工作流程图；图3为MDI协议的双光子干涉和测量的空间模型图；图4为本专利技术MDI协议的工作原理图；图5为密钥矩阵行数和列数扩展数量与互信息量之间的关系。具体实施方式为了使本专利技术要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。如图1、图2所示，一种量子密钥分配方法，包括以下步骤：S1：第一发送方和第二发送方将信息进行基于轨道角动量的斐波那契值编码；S2：所述第一发送方和所述第二发送方将各自已编码斐波那契值的轨道角动量状态的光子发送给接收方；S3：所述接收方给出输出响应；S4：所述第一发送方和所述第二发送方根据所述接收方的输出响应选择是否需要进行比特反转，从而确定的最终斐波那契值编码方式；S5：所述第一发送方和所述第二发送方使用经典信息交换建立原始密钥字符串，并利用步骤S4所确定的最终斐波那契值编码方式构造对角矩阵M作为初始密钥矩阵；S6：所述第一发送方和所述第二发送方使用矩阵扩展和压缩来实现初始密钥矩阵M的隐私放大；具体过程包括：S61：将初始密钥矩阵M添加更多的原始行向量数据将其扩展为矩阵M′；同时将初始密钥矩阵M添加更多的原始列向量数据将其扩展为矩阵M″；S62：按照获得隐私放大后的密钥矩阵为了更加方便理解本实施例所提出的技术方案，我们节后图3对具有偏振的双光子干涉进行介绍。通过图3可以看出，有偏振方向的单个光子可以描述为：其中,|α1>和|α2>分别表示两个光子的极化方向，|c1＞,|c2＞和|d1＞,|d2＞分别表示两个光子出射分支的方向；通过图3可以看出，两个光子的干涉输出状态如下：<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种量子密钥分配方法，其特征在于包括以下步骤：/nS1：第一发送方和第二发送方将信息进行基于轨道角动量的斐波那契值编码；/nS2：所述第一发送方和所述第二发送方将各自已编码斐波那契值的轨道角动量状态的光子发送给接收方；/nS3：所述接收方给出输出响应；/nS4：所述第一发送方和所述第二发送方根据所述接收方的输出响应选择是否需要进行比特反转，从而确定的最终斐波那契值编码方式；/nS5：所述第一发送方和所述第二发送方使用经典信息交换建立原始密钥字符串，并利用步骤S4所确定的最终斐波那契值编码方式构造对角矩阵M作为初始密钥矩阵。/n

【技术特征摘要】
1.一种量子密钥分配方法，其特征在于包括以下步骤：
S1：第一发送方和第二发送方将信息进行基于轨道角动量的斐波那契值编码；
S2：所述第一发送方和所述第二发送方将各自已编码斐波那契值的轨道角动量状态的光子发送给接收方；
S3：所述接收方给出输出响应；
S4：所述第一发送方和所述第二发送方根据所述接收方的输出响应选择是否需要进行比特反转，从而确定的最终斐波那契值编码方式；
S5：所述第一发送方和所述第二发送方使用经典信息交换建立原始密钥字符串，并利用步骤S4所确定的最终斐波那契值编码方式构造对角矩阵M作为初始密钥矩阵。


2.根据权利要求1所述的量子密钥分配方法，其特征在于，所述第一发送方和所述第二发送方将信息按照：
B1＝{|Fn>,|-Fn>}或进行基于轨道角动量的斐波那契值编码，其中|Fn>,|-Fn>表示携带轨道角动量值为+Fnφ或-Fnφ的光子态，φ分别表示横向方位角。


3.根据权利要求1或3所述的量子密钥分配方法，其特征在于，还包括步骤S6：所述第一发送方和所述第二发送方使用矩阵扩展和压缩来实现初始密钥矩阵M的隐私放大。


4.根据权利要求3所述的量子密钥分配方法，其特征在于，步骤S6的...

【专利技术属性】
技术研发人员：赖红，詹成，刘紫豪，
申请(专利权)人：西南大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50