一种适用于连续变量量子密钥分发残余误码消除的方法与系统技术方案

本发明专利技术提供一种适用于连续变量量子密钥分发残余误码消除的方法与系统，所述方法包括在译码器架构中增加译码数据修改模块；译码数据修改模块根据将整个译码流程根据使用参数T修改译码数据的时间节点分为第一译码阶段和第二译码阶段，并在第二译码阶段实现残余误码消除。本发明专利技术能够有效降低系统译码后的FER，提升CV

【技术实现步骤摘要】
一种适用于连续变量量子密钥分发残余误码消除的方法与系统


[0001]本专利技术涉及量子密钥分发
，具体而言，涉及一种适用于连续变量量子密钥分发残余误码消除的方法与系统。

技术介绍

[0002]随着量子物理和量子信息论的发展，建立在量子力学原理基础上的量子密码学已经被证明具备信息论意义上的无条件安全性。其中，最具代表性的技术是通过量子技术实现通信双方的安全在线密钥共享，即量子密钥分发(Quantum Key Distribution,QKD)。QKD主要包括离散变量和连续变量两大技术途径，其中连续变量量子密钥分发(Continuous Variable Quantum Key Distribution,CV
‑
QKD)采用量子光场的正交分量作为信息载体，具备中短传输距离内安全码率高，且可与传统光通信的大部分器件通用的优势，是量子密钥分发技术的重要发展方向。
[0003]CV
‑
QKD系统包括量子信息的产生、传输、探测和数据后处理，其整体框图如图1所示。发送端(Alice)首先通过量子信道向接收端(Bob)发送量子信号，Bob对信号进行探测接收。然后通过经典信道上的数据后处理过程，Alice和Bob得到一致的安全密钥。数据后处理是获取安全密钥必不可少的重要步骤，显著影响系统整体的安全性和密钥生成速率。CV
‑
QKD系统数据后处理的流程图如图2所示，其主要步骤如下：
[0004](1)基对比——如果Bob采用零差探测，将探测信号时采用的测量基数据发送给Alice，Alice接收该数据后保留基选择一致的正交分量，基比对完成后Alice和Bob得到一组关联的原始密钥。如果Bob采用外差探测，不需执行本步骤。
[0005](2)参数估计——Alice和Bob从原始密钥中随机选出部分数据来进行参数估计，从而计算出系统关键参数，并依据安全码率模型判断是否继续此轮次量子密钥分发。
[0006](3)数据协商——除去做参数估计部分的剩余原始密钥数据进入数据协商步骤，通过一定的协商算法将连续数据离散化，从而进一步进行误码纠错。
[0007](4)误码纠错——目前CV
‑
QKD系统在典型传输距离下常用的纠错码为多边类型LDPC码，通过对接收到的数据进行迭代译码完成纠错，然后Alice和Bob得到了一串完全相同的二进制比特序列。
[0008](5)私钥放大——Alice和Bob将误码纠错后得到的相同的二进制比特序列进行压缩，以去除其中被窃听者获取的部分信息，从而使密钥达到信息论安全。
[0009]在上述数据后处理过程中，误码纠错步骤是决定系统性能的关键。CV
‑
QKD系统工作在低信噪比条件下，需要低码率、长码长的纠错码。多边类型的LDPC码不但译码性能接近香农限，而且可以用具有并行处理能力的器件实现快速译码。因此，多边类型的LDPC码广泛应用于CV
‑
QKD的后处理过程中。基于GPU设计的多边类型的LDPC码译码吞吐量在近几年也不断提高。然而GPU的体积较大、功耗高，制约了CV
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QKD的应用场景，相对而言FPGA体积和功耗小，可以并行运算，适合用于实现高效纠错译码，应用场景更广。
[0010]由于FPGA外部存储DDR的读写速度不能满足高速译码需求，所以在译码过程中的数据需要使用FPGA的片上存储资源。在FPGA中，通常采用一个定点数来表示数值(定点数的位宽越大，表示的数值越精确)，而FPGA的片上存储资源有限，这就限制了译码过程中定点数的位宽，使得数值表示不够精确，导致译码后存在残余误码，不能满足CV
‑
QKD在误码纠错后要得到完全一致的二进制比特序列的要求，帧错误率(Frame Errors Rate,FER)很高，最终导致系统实际安全码率严重受限。

技术实现思路

[0011]本专利技术旨在提供一种适用于连续变量量子密钥分发残余误码消除的方法与系统，以解决在CV
‑
QKD系统中，基于FPGA设计的LDPC码译码器为满足高速译码的需求，译码过程中的数据需要使用FPGA的片上存储资源，而有限的片上存储资源限制了在FPGA中用于表示数据的定点数的位宽，使得数值表示不够精确，译码结束后存在残余误码，FER很高，系统实际安全码率受限的问题。
[0012]本专利技术提供的一种适用于连续变量量子密钥分发残余误码消除的方法，包括：
[0013]增加译码数据修改模块；
[0014]采用译码数据修改模块将整个译码流程根据使用参数T修改译码数据的时间节点分为第一译码阶段和第二译码阶段，然后通过第二译码阶段实现残余误码消除。
[0015]进一步的，所述译码数据修改模块将整个译码流程分为第一译码阶段和第二译码阶段，并通过第二译码阶段实现残余误码消除的方法为：
[0016](1)根据终止条件结束第一译码阶段；
[0017](2)用参数T修改根据设定的门限值δ挑选出的LLR值，然后将修改后的LLR值用于第二译码阶段实现残余误码消除。
[0018]在一些实施例中，设定一个LDPC码对应的校验矩阵H的大小为M行N列；其中，M行对应M个校验方程，用集合J＝{0,1,
…
,M
‑
1}来标识每一行；N列对应N个节点，用集合I＝{0,1,
…
,N
‑
1}来标识每一列；定义集合LLR＝{LLR1,LLR2,
…
,LLR
N
‑1}表示接收端译码后各节点用于译码判决的LLR值，S表示发送端的校正子，集合表示根据LLR值进行译码判决后得到的各码元比特，译码后接收端的校正子S与中对应位置不相等的元素个数称为非满足校验节点数，用参数N
u
表示；
[0019]则所述残余误码消除的过程如下：
[0020](1)第一译码阶段开始时，设置非满足校验节点数的最小值N
u_min
＝M；
[0021](2)每次迭代译码结束后，根据译码判决得到的计算接收端校正子
[0022]如果或者译码达到设定的最大迭代次数，则结束整个译码流程；
[0023]如果则统计当前迭代次数下的非满足校验节点数N
u
，并根据N
u
的值更新N
u_min
；
[0024](3)如果N
u_min
的值在连续X次的迭代译码中没有改变，则结束第一译码阶段，否则继续迭代；
[0025](4)第一译码阶段完成后，根据设定的门限值δ，得到集合e＝{i|LLR
i
≤δ}，然后根
据集合e以及设定的参数T修改对应的LLR值，即LLR
i
＝T，
[0026](5)根据修改后的LLR值进行第二译码阶段的迭代译码，直到达到设定的最大迭代次数或者译码成功，结束整个译码流程。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于连续变量量子密钥分发残余误码消除的方法，其特征在于，包括：增加译码数据修改模块；采用译码数据修改模块将整个译码流程根据使用参数T修改译码数据的时间节点分为第一译码阶段和第二译码阶段，并通过第二译码阶段实现残余误码消除。2.根据权利要求1所述的适用于连续变量量子密钥分发残余误码消除的方法，其特征在于，所述译码数据修改模块将整个译码流程分为第一译码阶段和第二译码阶段，并通过第二译码阶段实现残余误码消除的方法为：(1)根据终止条件结束第一译码阶段；(2)用参数T修改根据设定的门限值δ挑选出的LLR值，然后将修改后的LLR值用于第二译码阶段实现残余误码消除。3.根据权利要求2所述的适用于连续变量量子密钥分发残余误码消除的方法，其特征在于，设定一个LDPC码对应的校验矩阵H的大小为M行N列；其中，M行对应M个校验方程，用集合J＝{0,1,
…
,M
‑
1}来标识每一行；N列对应N个节点，用集合I＝{0,1,
…
,N
‑
1}来标识每一列；定义集合LLR＝{LLR1,LLR2,
…
,LLR
N
‑1}表示接收端译码后各节点用于译码判决的LLR值，S表示发送端的校正子，集合表示根据LLR值进行译码判决后得到的各码元比特，译码后接收端的校正子S与中对应位置不相等的元素个数称为非满足校验节点数，用参数N
u
表示；则所述残余误码消除的过程如下：(1)第一译码阶段开始时，设置非满足校验节点数的最小值N
u_min
＝M；(2)每次迭代译码结束后，根据译码判决得到的计算接收端校正子如果或者译码达到设定的最大迭代次数，则结束整个译码流程；如果则统计当前迭代次数下的非满足校验节点数N
u
，并根据N
u
的值更新N
u_min
；(3)如果N
u_min
的值在连续X次的迭代译码中没有改变，则结束第一译码阶段，否则继续迭代；(4)第一译码阶段完成后，根据设定的门限值δ，得到集合e＝{i|LLR
i
≤δ}，然后根据集合e以及设定的参数T修改对应的LLR值，即LLR
i
＝T，(5)根据修改后的LLR值进行第二译码阶段的迭代译码，直到达到设定的最大迭代次数或者译码成功，结束整个译码流程。4.根据权利要求3所述的适用于连续变量量子密钥分发残余误码消除的方法，其特征在于，参数T以及门限值δ的值通过大量仿真，选取误码残余消除效果最好的值进行设定。5.根据权利要求3所述的适用于连续变量量子密钥分发残余误码消除的方法，其特征在于，X＝3。6.一种适用于连续变量量子密钥分发残余误码消除...

【专利技术属性】
技术研发人员：周创，李扬，徐兵杰，马荔，黄伟，杨杰，罗钰杰，吴梅，胡金龙，张亮亮，张帅，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第三十研究所，
类型：发明
国别省市：