离散调制连续变量量子密钥分发态调制和密钥映射方法技术

本发明专利技术涉及量子密钥分发领域，公开了一种离散调制连续变量量子密钥分发态调制和密钥映射方法，包括：发送端在八个相干态的单环星座或十二个相干态的双环星座中随机选择一个态并经由量子信道发送至接收端，接收端对接收到的量子态进行外差探测并将相空间分为八个区域或十二个区域，根据探测结果所在的区域，将结果映射为相应的离散化值，得到原始密钥串；经过数据纠错，私密放大程序得到安全的密钥。本发明专利技术方法可以提高离散调制连续变量量子密钥分发的密钥率。通过制备较少数目的相干态，实现接近于高斯调制情形下的密钥率，有效降低了对源端量子态制备的复杂度，简化了数据后处理过程，有助于在城域范围实现高速、低成本的连续变量量子密钥分发。本的连续变量量子密钥分发。本的连续变量量子密钥分发。

【技术实现步骤摘要】
离散调制连续变量量子密钥分发态调制和密钥映射方法


[0001]本专利技术涉及量子密钥分发领域，特别是涉及一种离散调制连续变量量子密钥分发态调制和密钥映射方法。

技术介绍

[0002]量子密钥分发作为当前量子信息科学技术发展最快的分支之一，允许相距遥远的通信双方共享一组安全的密钥，其安全性由量子物理的基本原理保证。连续变量量子密钥分发将信息编码在光场的正交分量，在城域范围可以实现高的密钥率，与现有的光纤网络易兼容，得到国内外科研人员的广泛关注，取得了很大的进步。
[0003]目前大多数的连续变量量子密钥分发系统是基于高斯调制，即发送端Alice根据高斯分布调制量子态的正交分量，可以达到信道容量，获得高的密钥率。然而，高斯调制对源的调制设备和数据后处理过程提出了较高的要求。由于实际调制设备的调制范围和调制精度有限，在实际应用中无法实现理想的高斯调制。因此，在实际中，一般通过数量有限的量子态调制星座来近似高斯分布调制。已经证明至少需要8100个量子态(90
×
90大小的星座)才能实现近高斯分布。为了简化态的调制，降低对调制设备和数据后处理的要求，离散调制连续变量量子密钥分发方案被提出。但是离散调制的安全性证明相比于高斯调制更为复杂，因为高斯攻击最优性的假设不再适用。
[0004]最近，利用凸优化技术，四态离散调制的安全性被证明，但是密钥率相比于高斯调制还是比较低，难以满足实际应用。

技术实现思路

[0005]针对上述问题本专利技术提供了一种离散调制连续变量量子密钥分发态调制和密钥映射方法，提高离散调制协议的密钥率，更好满足实际应用要求。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术采用了下列技术方案：
[0007]本专利技术提供一种离散调制连续变量量子密钥分发态调制和密钥映射方法，听述方法包括：
[0008]八个相干态的单环星座调制和密钥映射方法；
[0009]十二个相干态的双环星座调制和密钥映射方法。
[0010]进一步，所述八个相干态的单环星座调制和密钥映射方法的具体过程如下：
[0011]发送端将八个相干态在相空间中调制为单环星座结构，|α
x
>＝|αe
ixπ/4
>，x∈{0，1，2，3，4，5，6，7}，α是调制幅度，i代表虚数；
[0012]发送端随机选择一个态|α
x
>发送给接收端，并记录发送态的序号x
i
，作为发送端的原始密钥串；
[0013]将相空间分为八个区域：{R
j
，j＝0，
…
，7}；
[0014]接收端对接收到的量子态进行外差探测，得到测量结果代表复数域，按照如下规则将结果y＝|y|e
iθ
(θ是相位角)映射为相应的离散化值，得到接收端的原始密钥
串：
[0015][0016]经过纠错和私密放大提取安全的密钥；
[0017]根据等价的纠缠方案计算密钥率，即存在最优的调制幅度α使得密钥率达到最大。
[0018]进一步，所述十二个相干态的双环星座调制和密钥映射方法的具体过程如下：
[0019]将十二个相干态在相空间调制到内外两个环上，内环四个态，外环八个态，
[0020]内环的四个态表示为：{|α
x
>＝|α1e
ixπ/2
>}
x＝0，
…
，3
，每个态被选择的概率为p1；
[0021]外环八个态表示为：{|α
x
>＝|α2e
i(x
‑
4)π/4
>}
x＝4，
…
，11
，每个态被选择的概率为p2；
[0022]p1和p2满足：p1+2p2＝1/4；
[0023]发送端随机选择一个态|α
x
>发送给接收端，并记录发送态的序号x
i
，作为发送端的原始密钥串；
[0024]利用幅度α
c
和相位角将相空间分为十二个区域：{R
j
，j＝0，
…
，11}，α
c
代表内环和外环区域分界线的幅度；
[0025]接收端对接收的量子态进行外差探测，得到测量结果按照如下规则，将结果y＝|y|e
iθ
映射为相应的离散化值，得到接收端的原始密钥串：
[0026][0027]经过纠错和私密放大提取安全的密钥；
[0028]根据等价的纠缠方案计算密钥率，即存在最优的调制幅度α1，α2，最优的态选择概率p1，p2，以及最优的幅度α
c
，使得密钥分发协议的密钥率达到最大。
[0029]与现有技术相比本专利技术具有以下优点：
[0030]与现有的四态调制方案相比，本专利技术提出的八态和十二态调制方法显著提高了协议的密钥率。通过设计星座结构，十二态双环星座态调制方法在长距离处可以实现近似70％高斯调制的密钥率，在获得较高的密钥率的前提下简化了态的调制过程，降低了协议物理实现的复杂度，能更好满足实际应用要求。
附图说明
[0031]图1为本专利技术提出的八态调制和密钥映射方法；
[0032]图2为不同传输距离下八态协议最优的调制幅度；
[0033]图3为不同传输距离下八态调制的密钥率；
[0034]图4为本专利技术提出的十二态双环星座态调制和密钥映射方法；
[0035]图5为不同传输距离下十二态调制中各个参数的最优选择值；
[0036]图6是不同调制方案下密钥率随着传输距离的变化；
[0037]图7是不同离散调制方案相比于高斯调制方案密钥率的百分比。
＞α1，其中：
[0058]内环的四个态表示为：{|α
x
>＝|α1e
ixπ/2
>}
x＝0，
…
，3
，每个态被选择的概率为p1；
[0059]外环八个态表示为：{|α
x
>＝|α2e
i(x
‑
4)π/4
>}
x＝4，
…
，11
，每个态被选择的概率为p2；
[0060]p1和p2满足：p1+2p2＝1/4；
[0061]Alice随机选择一个态|α
x
>发送给Bob，并记录发送态的序号x
i
，作为Alice的原始密钥串；
[0062]将相空间分为十二个区域：{R
j
，j＝0，
…
，11}，α
c
是内环和外环区域边界对应的幅度；
[0063]Bob进本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种离散调制连续变量量子密钥分发态调制和密钥映射方法，其特征在于，所述方法包括：八个相干态的单环星座调制和密钥映射方法；十二个相干态的双环星座调制和密钥映射方法。2.根据权利要求1所述的离散调制连续变量量子密钥分发态调制和密钥映射方法，其特征在于，所述八个相干态的单环星座调制和密钥映射方法的具体过程如下：发送端将八个相干态在相空间中调制为单环星座结构，|α
x
>＝|αe
ixπ/4
>，x∈{0,1,2,3,4,5,6,7}，α是调制幅度，i代表虚数；发送端随机选择一个态|α
x
>发送给接收端，并记录发送态的序号x
i
，作为发送端的原始密钥串；将相空间分为八个区域：{R
j
,j＝0,...,7}；接收端对接收到的量子态进行外差探测，得到测量结果接收端对接收到的量子态进行外差探测，得到测量结果代表复数域，按照如下规则将结果y＝|y|e
iθ
，映射为相应的离散化值，θ是相位角，得到接收端的原始密钥串：z＝j,if经过纠错和私密放大提取安全的密钥；根据等价的纠缠方案计算密钥率，即存在最优的调制幅度α使得密钥率达到最大。3.根据权利要求1所述的离散调制连续变量量子密钥分发态调制和密钥映射方法，其特征在于，所述十二个相干态的双环星座调制和密钥映射方法的具体过程如下：将十二个相干态在相空间调制到内外两个...

【专利技术属性】
技术研发人员：李永民，王普，王旭阳，
申请(专利权)人：山西大学，
类型：发明
国别省市：