一种多方双场量子密钥分发协议实现方法及系统技术方案

本发明专利技术属于量子信息通信技术领域，公开了一种多方双场量子密钥分发协议实现方法及系统，使用测量端的W态分析器对编码后的光脉冲进行W4态测量，输入的信号态会被投影到W4态，根据W态分析器中单光子探测器的响应结果唯一的区分出一组W4态，通信用户通过筛选获得密钥；将双场量子密钥分发协议和W态分析器相结合，实现四方用户之间的通信，当不可信的测量端公布的探测响应结果是有效的探测响应时，四个参与者中的任意两个参与者公开自己的信息比特，则其余两个参与者可获得密钥比特。本发明专利技术对应的探测成功的总概率为6.25％，相对于目前已有的基于双光子干涉的W态分析器，探测成功概率提高了八倍。功概率提高了八倍。功概率提高了八倍。

【技术实现步骤摘要】
一种多方双场量子密钥分发协议实现方法及系统


[0001]本专利技术属于量子信息通信
，尤其涉及一种多方双场量子密钥分发协议实现方法及系统。

技术介绍

[0002]目前，引入数学理论的经典密码学，使密码学成为了一门严谨且系统的学科。但是，经典密码学的安全性基于数学问题的计算复杂度，其只能保证一段时间的计算安全性。随着计算水平的提高，如果量子计算机得到实现，现有的基于计算复杂度的加密算法将不堪一击。不同于安全性依赖于数学计算复杂度的经典密码学，量子密码学的安全性依赖于物理手段，即用于加密的密钥在理论上具有真随机性以及能保证足够长量子密钥的安全分发。量子保密通信是建立在量子密码学基础上的，它的安全性是依靠量子力学的物理定律，而并非依赖于数学计算复杂度。量子密钥分发(QKD)是量子保密通信的核心，是当前最重要、最主流的量子通信技术。QKD是指通信双方以量子态作为信息的载体，通过量子信道传输，从而在通信双方之间协商出密钥的一种密钥分发方法。QKD过程中对量子态的传输，是依靠对光子进行编码、传输、测量实现的，因此QKD协议协商密钥的过程主要包括光源发出光脉冲、对光脉冲进行编码、测量端对光脉冲进行测量并公布测量结果、通信用户生成密钥等过程。
[0003]量子密钥分发是利用量子力学特性来保证通信安全性，它使通信的双方能够产生并分享一个随机的、安全的密钥，来加密和解密消息。QKD理论上是无条件安全的，它允许处于远距离且合法的通信双方，在存有窃听的条件下，也可以产生安全的密钥。自1984年第一个量子密钥分发协议BB84协议被提出至今，已经提出许多具体可执行的QKD协议，基于QKD协议的各种量子保密通信系统实现方案也被论证和实现。2012年提出的测量设备无关量子密钥分发(MDI
‑
QKD)协议，可以抵御所有针对探测器端的攻击，且可以利用现有技术实现，该协议的安全性已经得到证明，并在实际网络上进行了实验验证。然而，基于点对点无中继的有损信道下的QKD系统还面临着密钥率
‑
距离的限制，该限制称为量子信道的密钥容量(Serect key Capacity，SKC)限制，MDI
‑
QKD及其之前提出的QKD协议都无法突破SKC限制，因此通信传输距离相对较近。目前，想要突破该SKC限制的方法主要是使用量子中继，但量子中继在现有技术下很难实现。2018年，M.Lucamarini等人提出的双场(Twin
‑
field，TF)量子密钥分发协议有效突破了SKC限制。双场量子密钥分发协议有效继承了MDI
‑
QKD协议能够抵御针对测量设备漏洞的攻击的优点，同时利用单光子干涉的特性，可获得远超过一般量子密钥分发方案的成码距离，并且理论上可以获得远高于一般量子密钥分发方案的成码率，为远距离、高性能量子密钥分发提供了新的方向。是否可以获得更高的成码率和更远的传输距离是评价一个量子密钥分发协议好坏的重要的指标。
[0004]MDI
‑
QKD协议、双场量子密钥分发协议TF
‑
QKD协议等一系列QKD协议，最初都是针对于两方用户提出的。直到现在，大部分的量子通信的理论研究和实验工作都集中在两方协议上，致力于解决现有两方协议中存在的安全漏洞，以及增加两个合法用户量子通信的
距离。考虑到实际通信场景中可能存在多个参与者通信的场景，多方量子通信协议相继被提出，也已经取得了很大进展。比如Zhiwei Sun等人于2015年提出的基于簇态的多方QKD，朱畅华等人于2015年提出的基于W态的多方MDI
‑
QKD，Xiyuan Ma等人于2021年提出的采用新Bell态编码模式的QKD等。相对于目前已经提出的多方通信协议来说，QKD协议的一个关键弱点是假设测量设备是可信的，然而实际QKD系统中物理器件的不完美性使得可能存在许多量子黑客攻击，例如时移攻击、相位重映射攻击等，这使得这个假设非常不现实。而MDI
‑
QKD协议、TF
‑
QKD协议可以抵御探测器端可能存在的攻击，消除了对可信测量设备的苛刻要求。
[0005]综上所述，适当的纠缠态及其分析器是设计多方QKD协议的另一个关键因素。目前可以用于实现多方QKD协议的纠缠态主要有GHZ态、簇态、W态等，对应的已经提出的分析器有GHZ态分析器、簇态分析器和W态分析器。GHZ态是三光子的最大纠缠态，但是一旦它们之中某个比特被检测到，则其余比特会失去纠缠特性，稳健性较差；并且GHZ态分析器主要局限于三个参与者的情况，在具有更多参与者的情况下，密钥生成率会降低。簇态是四光子的最大纠缠态，虽然不会因为某个比特被检测到失去纠缠特性，稳健性较强，但是目前已有的簇态分析器仅仅适用于单光子不能应用于弱相干光源，可使用范围受限。W态虽然不是四光子的最大纠缠态，但是不会因为某个比特被检测而干扰其他光子的纠缠，具有较强的稳健性；并且W态分析器可以应用于具有更多参与者通信的情况，既可以应用于单光子源的场景也可以应用于弱相干光源的场景。因此，为了使设计的多方QKD协议具有更高的密钥率，使用场景更广泛，选择W态分析器是明智的。
[0006]通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：目前多方量子通信协议中通信传输距离较低。
[0007]解决以上问题及缺陷的难度为：如何将已经提出的两方量子密钥分发协议中传输距离较远的双场量子密钥分发协议扩展到多个参与者参与通信的情景，需要找到合适的纠缠态和对应的分析器。如何将两方双场量子密钥分发协议与W态分析器相结合扩展到多方双场量子密钥分发协议是一大难点，需要考虑采取怎样的编码方式的情况下，编码后的光脉冲可以被W态分析器成功测量，识别出唯一的一组W4态；需要考虑如何通过筛选获取密钥，筛选获得密钥需要满足哪些条件；还需要考虑获得的密钥是否安全。
[0008]解决以上问题及缺陷的意义为：将目前两方量子密钥分发协议中具有较远传输距离的双场量子密钥分发协议与具有良好性能的W态分析器相结合，提出多方双场量子密钥分发协议实现方法，弥补了当前多方量子通信协议中通信传输距离较低的缺陷，有助于多方量子通信和量子网络的发展。

技术实现思路

[0009]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种多方双场量子密钥分发协议实现方法及系统。
[0010]本专利技术是这样实现的，一种多方双场量子密钥分发协议实现方法，所述多方双场量子密钥分发协议实现方法基于测量端对光脉冲进行测量，使用W态分析器对编码后的光脉冲进行W4态测量，输入的信号态会被投影到W4态，根据W态分析器中单光子探测器的响应结果唯一的区分出一组W4态，通信用户通过筛选获得密钥；将双场量子密钥分发协议和W态
分析器相结合，实现四方用户之间的通信，当不可信的测量端公布的探测响应结果是有效的探测响应时，四个参与者中的任意两个参与者公开自己的信息比特，则其余两个参与者可获得密钥比特。
[0011]目前已有的W态分析器是基于双光子干涉的，本专利技术中将其进一步优化，使其同时适用于本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多方双场量子密钥分发协议实现方法，其特征在于，所述多方双场量子密钥分发协议实现方法基于两方双场量子密钥分发协议的编码方式和测量端W态分析器对光脉冲的测量，测量端使用W态分析器对编码后的光脉冲进行基于单光子干涉的W4态测量，输入的信号态会被投影到W4态，根据W态分析器中单光子探测器的响应结果唯一的区分出一组W4态，通信用户通过筛选获得密钥；将双场量子密钥分发协议和W态分析器相结合，实现四方用户之间的通信，当不可信的测量端公布光脉冲的有效探测响应时，四个参与者中的任意两个参与者公开自己的信息比特，则其余两个参与者可获得密钥比特。2.如权利要求1所述的多方双场量子密钥分发协议实现方法，其特征在于，所述多方双场量子密钥分发协议实现方法包括以下步骤：第一步，构建基于W态分析器的多方双场量子密钥分发系统；第二步，光源发出光脉冲第三步，对光源发出的光脉冲进行编码；第四步，测量端Emma对编码后的光脉冲进行测量并公布测量结果；第五步，通信用户通过筛选获得密钥；第六步，通信用户对筛选得到的密钥进行参数估计；第七步，通信用户对密钥后处理。3.如权利要求2所述的多方双场量子密钥分发协议实现方法，其特征在于，所述第一步包括：构建包括结构相同的四个合法通信用户支路Bob、Alice、Charlie和David，以及包括W态分析器的一个不可信的测量端Emma的双场量子密钥分发系统；四个通信用户中的任意一个通信用户既是发送方又是其他用户的接收方；不可信的测量端Emma包括由一个干涉仪组和四个单光子探测器构成的W态分析器，W态分析器有四个输入端；每个合法的通信用户支路包括依次连接的理想单光子源SPS、连接有随机数发生器RNG1的强度调制器IM以及连接有随机数发生器RNG2的相位调制器PM，强度调制器IM和相位调制器PM又共同连接着一个随机数发生器RNG3；四个结构完全相同的通信用户支路通过量子信道连接到测量端Emma处的W态分析器的四个输入端。4.如权利要求2所述的多方双场量子密钥分发协议实现方法，其特征在于，所述第二步包括：Bob、Alice、Charlie和David各自支路的单光子源SPS按照一定的时间间隔τ连续发出N个随机相位分别为θ
B
、θ
A
、θ
C
和θ
D
的光脉冲S
B
＝{S
B1
,S
B2
,
…
,S
BN
}、S
A
＝{S
A1
,S
A2
,
…
,S
AN
}、S
C
＝{S
C1
,S
C2
,
…
,S
CN
}和S
D
＝{S
D1
,S
D2
,
…
,S
DN
}，其中N＞1024；S
Bi
、S
Ai
、S
Ci
和S
Di
分别表示Bob、Alice、Charlie和David各自支路的单光子源SPS发出的第i个光脉冲，其中i＝1,2,
…
,N。5.如权利要求2所述的多方双场量子密钥分发协议实现方法，其特征在于，所述第三步包括：(1)每个用户支路的理想单光子源SPS发出的光脉冲S
Bi
、S
Ai
、S
Ci
和S
Di
都可根据随机数发生器RNG3产生的二进制随机数执行相应的编码操作，强度调制器IM和相位调制器PM判断随机数发生器RNG3产生的二进制随机数的值是否为1，若是1，则在编码基Z下对光脉冲进行编码，执行(2)，否则在编码基X下对光脉冲进行编码，执行(3)；(2)在编码基Z下对光脉冲进行编码：强度调制器IM判断随机数发生器RNG1产生的二进制随机数的值是否为1，若是1，强度调制器IM不发挥作用相当于通路，光脉冲正常通过，否则强度调制器IM将光脉冲的强度调制为0；随机数发生器RNG2和相位调制器PM不发挥作用
相当于通路，经过强度调制器IM调制后的光脉冲正常通过；(3)在编码基X下对光脉冲进行编码：强度调制器IM判断随机数发生器RNG1产生的二进制随机数的值是否为1，若是1，强度调制器IM不发挥作用相当于通路，光脉冲正常通过，否则强度调制器IM将光脉冲的强度调制为0；相位调制器PM根据随机数发生器RNG2产生的二进制随机数对经过强度调制器IM调制后的光脉冲进行调制，相位调制器PM判断随机数发生器RNG2产生的二进制随机数的值是否为1，若是1，相位调制器PM对光脉冲调制相位π，否则相位调制器PM对光脉冲调制相位0；(4)最终，Bob、Alice、Charlie和David各自支路中由光源发出的N个光脉冲在不同的编码基下进行编码后会得到N个编码后的光脉冲分别为S
′
B
＝{S
′
B1
,S
′
B2
,
…
,S
′
BN
}、S
′
A
＝{S
′
A1
,S
′
A2
,
…
,S
′
AN
}、S
′
C
＝{S
′
C1
,S
′
C2
,
…
,S
′
CN
}和S
′
D
＝{S
′
D1
,S

【专利技术属性】
技术研发人员：朱畅华，徐宁，权东晓，何先灯，赵楠，易运晖，陈南，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：