一种具有光源监控功能的参考系无关量子密钥分发方法技术

本发明专利技术属于量子信息技术领域，公开了一种具有光源监控功能的参考系无关量子密钥分发方法，其允许光源服从某种未知的光子数分布，仅假设其光强在一定范围内波动，通过使用分束器对光源分束后产生的四种响应事件进行参数估算，进而完成被动式光源监控功能。与使用主动式光源监控的RFI

【技术实现步骤摘要】
一种具有光源监控功能的参考系无关量子密钥分发方法


[0001]本专利技术属于量子通信、量子信息技术等领域，具体是涉及一种具有光源监控功能的参考系无关量子密钥分发方法。

技术介绍

[0002]在实际的量子密钥分发系统(QKD)中，通信双方需要实时校准参考系。例如，在基于卫星与地面的偏振编码QKD系统中，由于地球自转以及卫星绕地运动等因素，卫星和地面接收站需要不断调整偏振方向角度以使QKD能够正常运行；同样在相位编码中，由于环境温度变化和实验平台机械振动等因素，发送端Alice和接收端Bob的干涉仪臂长差将会发生变化，因此他们也需要主动补偿相位。Alice和Bob主动调整偏振态以及补偿相位的操作称为校准参考系。校准参考系会消耗大量时间降低整个通信过程的效率，并且增加QKD系统的复杂度和成本，甚至可能存在安全性隐患。Anthony Laing等人在PHYSICAL REVIEW A上发表论文Reference
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frame
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independent quantum key distribution，提出了参考系无关量子秘钥分发协议，能有效地解决了需要校准参考系的问题。RFI
‑
QKD协议可以免疫参考系缓慢漂移的影响，有效地估算出Eve窃取的信息量，最终产生安全密钥。
[0003]然而，在此前的RFI
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QKD协议和方案中，均假设光源是可信且服从某种固定的光子数分布，该假设在实际系统中很难满足；且现有技术中的方法是使用主动式光源监控的RFI/>‑
QKD方案，其需要通过衰减器主动调制光强衰减系数，容易引入额外的调制误差，抗光源抖动能力差。

技术实现思路

[0004]为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种具有光源监控功能的参考系无关量子密钥分发方法，其应用于不可信光源的量子密码传输系统中，该方法允许光源服从某种未知的光子数分布，仅假设其光强在一定范围内波动，通过使用分束器对光源分束后产生的四种响应事件进行参数估算，进而完成被动式光源监控功能。
[0005]本专利技术所述的一种具有光源监控功能的参考系无关量子密钥分发方法，步骤为：
[0006]步骤1、发送端Alice通过非理想光源发送N个脉冲经过强度调制器IM随机制备并发送三种强度脉冲，分别是信号态脉冲、诱骗态脉冲和真空态脉冲；
[0007]步骤2、N个脉冲经过光纤分数器BS1后分为信号光和闲置光，其中信号光用来编码并发送给接收端Bob，闲置光用来执行被动式光源监控PLSM；闲置光经过被动式光源监控模块后，被光纤分数器BS2进一步分割，最终被发送端探测器D1和D2探测；因此，在发送端得到4种不同的探测事件l∈{x,y,z,w}，x代表D1和D2都不响应；y代表只有D1响应；z代表只有D2响应；w代表D1和D2都响应；
[0008]步骤3、当信号光经过编码Encoding模块后，对于信号态脉冲和诱骗态脉冲，Alice分别以不同概率制备Z
A
、X
A
和Y
A
基下的量子态；
[0009]步骤4、在接收端的解码Decoding模块中，Bob分别以概率和和制
备Z
B
、X
B
和Y
B
基下的量子态，并且记录下对应的测量结果；
[0010]步骤5、在测量结束后，Alice和Bob通过已认证的经典信道公布其基矢和强度选择信息；然后Alice和Bob保留制备测量基矢组合Z
A
Z
B
,X
A
X
B
,X
A
Y
B
,Y
A
X
B
,Y
A
Y
B
下的数据，其它基矢组合的数据则被丢弃；Alice和Bob随机选取筛后密钥中的部分比特，估算基矢组合Z
A
Z
B
,X
A
X
B
,X
A
Y
B
,Y
A
X
B
,Y
A
Y
B
下的增益和总量子比特误码率；
[0011]步骤6、结合诱骗态方法得到单光子计数率的下界和误码率上界，进而估计最终的码率。
[0012]进一步的，步骤1中，信号态脉冲平均光子数为u，诱骗态平均光子数为v，真空态平均光子数为0，并满足u>v>0；Alice分别以概率P
u
发送信号态、P
v
发送诱骗态、1
‑
P
u
‑
P
v
发送真空态。
[0013]进一步的，步骤3中，当信号光经过编码模块Encoding后，对于信号态脉冲，Alice分别以概率和制备Z
A
、X
A
和Y
A
基下的量子态；对于诱骗态脉冲，Alice分别以概率和制备Z
A
、X
A
和Y
A
基下的量子态。
[0014]进一步的，由于发送端本地探测器的监控作用，闲置光被投影到量子态上，则n光子被投射到探测事件l上的概率为
[0015][0016][0017][0018][0019]其中，分别代表n光子投射到x、y、z、w事件上的概率，d
s
和η
s
分别是发送端探测器的暗计数率和探测效率，t表示分束器BS1的透射率；进一步的简化，假设发送端探测器D1和D2拥有相同的探测效率，即η1＝η2＝η
s
；同理，两个探测器的暗计数率也相同，表示为d1＝d2＝d
s
；此外定义不同事件下的光子数分布其中P
n
(μ)表示平均光子数为μ时，n光子出现的概率，这里假设其服从泊松分布。
[0020]进一步的，通过测量闲置光，得到四个事件的增益为
[0021][0022][0023][0024][0025]其中Q
x
(μ)、Q
y
(μ)、Q
z
(μ)、Q
w
(μ)分别代表x、y、z、w事件在μ强度下的增益；
[0026]分别代表x、y、z、w事件在μ强度下的光子数分布；
[0027]根据上式，进而估计光源中零光子、单光子、两光子概率的上下界；具体表示为：
[0028][0029][0030][0031][0032][0033]其中和分别为零光子在平均光子数为μ概率的下界和上界；和分别为单光子在平均光子数为μ概率的下界和上界；和分别为两光子在平均光子数为概率μ的下界和上界。
[0034]进一步的，被动式光源监控的RFI
‑
QKD协议的安全密钥率公式表示为：
[0035][0036]其中，和分别是信号本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有光源监控功能的参考系无关量子密钥分发方法，其特征在于，所述方法的步骤为：步骤1、发送端Alice通过非理想光源发送N个脉冲经过强度调制器IM随机制备并发送三种强度脉冲，分别是信号态脉冲、诱骗态脉冲和真空态脉冲；步骤2、N个脉冲经过光纤分数器BS1后分为信号光和闲置光，其中信号光用来编码并发送给接收端Bob，闲置光用来执行被动式光源监控PLSM；闲置光经过被动式光源监控模块后，被光纤分数器BS2进一步分割，最终被发送端探测器D1和D2探测；因此，在发送端得到4种不同的探测事件l∈{x,y,z,w}，x代表D1和D2都不响应；y代表只有D1响应；z代表只有D2响应；w代表D1和D2都响应；步骤3、当信号光经过编码Encoding模块后，对于信号态脉冲和诱骗态脉冲，Alice分别以不同概率制备Z
A
、X
A
和Y
A
基下的量子态；步骤4、在接收端的解码Decoding模块中，Bob分别以概率和制备Z
B
、X
B
和Y
B
基下的量子态，并且记录下对应的测量结果；步骤5、在测量结束后，Alice和Bob通过已认证的经典信道公布其基矢和强度选择信息；然后Alice和Bob保留制备测量基矢组合Z
A
Z
B
,X
A
X
B
,X
A
Y
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,Y
A
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,Y
A
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B
下的数据，其它基矢组合的数据则被丢弃；Alice和Bob随机选取筛后密钥中的部分比特，估算基矢组合Z
A
Z
B
,X
A
X
B
,X
A
Y
B
,Y
A
X
B
,Y
A
Y
B
下的增益和总量子比特误码率；步骤6、结合诱骗态方法得到单光子计数率的下界和误码率上界，进而估计最终的码率。2.根据权利要求1所述的一种具有光源监控功能的参考系无关量子密钥分发方法，其特征在于，步骤1中，信号态脉冲平均光子数为u，诱骗态平均光子数为v，真空态平均光子数为0，并满足u>v>0；Alice分别以概率P
u
发送信号态、P
v
发送诱骗态、1
‑
P
u
‑
P
v
发送真空态。3.根据权利要求2所述的一种具有光源监控功能的参考系无关量子密钥分发方法，其特征在于，步骤3中，当信号光经过编码模块Encoding后，对于信号态脉冲，Alice分别以概率和制备Z
A
、X
A
和Y
A
基下的量子态；对于诱骗态脉冲，Alice分别以概率和制备Z
A
、X
A
和Y
A
基下的量子态。4.根据权利要求3所述的一种具有光源监控功能的参考系无关量子密钥分发方法，其特征在于，由于发送端本地探测器的监控作用，闲置光被投影到量子态上，则n光子被投射到探测事件l上的概率为则n光子被投射到探测事件l上的概率为则n光子被投射到探测事件l上的概率为则n光子被投射到探测事件l上的概率为则n光子被投射到探测事件l上的概率为其中，分别代表n光子投射到x、y、z、w事件上的概率，d
...

【专利技术属性】
技术研发人员：王琴，钱雪瑞，张春辉，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：