一种量子存储器及基于量子存储的测量设备无关量子密钥分发方法技术

本发明专利技术公开了一种基于量子存储的测量设备无关量子密钥分发方法，其中Alice和Bob为进行通信的合法用户，Charlie为不可信任的第三方。Alice或Bob将携带不同量子态的光脉冲发送给Charlie；Charlie拥有量子存储器，并对首先到达的光脉冲进行存储；当来自于Alice和Bob的两个光脉冲均到达后，Charlie将此前存储的光脉冲从量子存储器中释放出来，并执行贝尔态测量。通过这种方法，解决了普通方案中双光子符合计数率低的问题；同时通过结合诱骗态方法，解决了多光子的安全性问题，进而提升系统的实际性能。与普通的测量设备无关量子密钥分发方法相比，新方案的密钥率提升了几个量级。新方案的密钥率提升了几个量级。新方案的密钥率提升了几个量级。

【技术实现步骤摘要】
一种量子存储器及基于量子存储的测量设备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，具体涉及一种基于量子存储的测量设备无关量子密钥分发方法，本方案可以很好的提高QKD系统的性能。

技术介绍

[0002]量子密钥分发(Quantum Key Distribution,QKD)可以为通信的双方提供安全的密钥。不同于传统的基于计算复杂度的密码系统，QKD的安全性建立在量子力学定律的基础上，并且已在数学上被严格证明。近年来，由于量子计算机的飞速发展，现有的密码系统受到严峻挑战，QKD能够为信息提供更高等级的安全保障，因而引起人们广泛关注。目前为止，科学家已提出许多不同的协议，比如：BB84协议、E91协议、BBM92协议、测量设备无关(MDI)协议、双场(TF)协议等。在这些协议中，MDI QKD协议在安全性和实用性方面达到较好的平衡。
[0003]在MDI QKD协议中，一般包括两个合法的用户，通常称之为Alice和Bob。协议中，Alice和Bob将制备量子态发送给第三方Charlie，Charlie执行贝尔态测量BSM并公布测量结果，Alice和Bob可以根据Charlie公布的测量结果来推断对方发送的比特信息，进而共享安全密钥。在该过程中，没有对测量端Charlie做任何假设，即Charlie可以是不受信任的第三方，因而MDI QKD协议可以免疫所有针对于测量端的攻击手段，例如：致盲攻击、时移攻击和相移攻击，因而具有良好的安全性。
[0004]不过现有的MDI QKD协议存在安全密钥率低、抗信道衰减能力差等缺点，主要由于该类协议基于双光子干涉，即要求两个独立的发射端Alice和Bob发射的单光子脉冲同时达到第三方测量端Charlie，且成功完成贝尔态测量BSM之后才能生成密钥。由于信道损耗，两个独立的单光子脉冲同时达到第三方测量端Charlie的概率很低，导致密钥率产生率低。

技术实现思路

[0005]本专利技术目的在于针对上述现有方案的不足，提出了一种基于量子存储器QM的测量设备无关量子密钥分发方法，该方案使用标记单光子光源替代弱相干光源(WCS)，与弱相干光源相比较，标记单光子源的优点在于其单光子脉冲占比更高，并且可以根据闲置光在本地探测器的响应情况来标记信号光的情况。同时，本方案采取的诱骗态方法提升了面对多光子分束(PNS)攻击时MDI QKD系统的抗性。本方案引入的量子存储器QM能够大幅度提升了双光子符合计数率，降低了双光子干涉的实现难度，进而实现了MDI QKD系统性能的提升。
[0006]本专利技术解决其技术问题所采取的技术方案是：一种基于量子存储器QM的测量设备无关量子密钥分发方法，一方面本方案使用自发参量下转换过程产生的标记单光子源HSPS作为光源，与弱相干态光源对比，标记单光子源的真空脉冲占比更低，在高衰减信道上更有优势，而且能根据本地探测器的响应情况来标记信号光的到达第三方Charlie的情况；本方案采取的诱骗态方法，降低了原本实际设备中可能存在PNS的漏洞；另一方面，本方案在实
现MDI QKD双光子干涉上，引入了量子存储器QM，实现了双光子符合计数率的提升，进而提升了系统性能。
[0007]
技术实现思路
：为实现上述技术效果，本专利技术提出一种量子存储器及基于量子存储的测量设备无关量子密钥分发方法，该方案建立了基于量子存储器QM的测量设备无关量子密钥分发的数学模型，使得以往较低的双光子符合计数率得到提高，从而提升MDI QKD的系统性能。
[0008]本专利技术的一种基于量子存储的测量设备无关量子密钥分发方法，主要包括Alice、Bob和Charlie三方参与，其中Alice和Bob为进行通信的合法用户，Charlie为不可信任的第三方，所述方法是一种使用量子存储器QM的诱骗态测量设备无关量子密钥分发方法，并构建了相应的数学模型，与现有的测量设备无关量子密钥分发方法相比，本方案的密钥率得到明显提升。
[0009]本专利技术的一种量子存储器，用于对首先到达的光脉冲进行存储，当来自于Alice和Bob的两个光脉冲均到达后，再将此前存储的光脉冲释放出来；
[0010]先到达量子存储器QM的光脉冲偏振是|H>，到达PBS后，经透射到达第一反射镜或第二反射镜，反射后的光脉冲经普克尔斯盒PC后，普克尔斯盒PC使得光脉冲的偏振变化为|V>，再经另一反射镜后回到PBS，经PBS反射到达第一反射镜或第二反射镜，一直在QM内部循环，当来自于Alice和Bob的两个光脉冲均到达后，普克尔斯盒PC使得先到达的光脉冲的偏振再变化为|H>，从PBS透射出去，离开QM。
[0011]本专利技术的一种基于量子存储的测量设备无关量子密钥分发方法所述方法，所述量子存储是基于本专利技术中提及的量子存储器，所述方法包括如下步骤：
[0012]步骤1，Alice和Bob分别独立产生三种不同强度的光脉冲，即μ，ν，0,光脉冲偏振方向均是|H>，制备N个双模光子对，并束为闲置光I和信号光S，即标记单光子源HSPS；
[0013]Alice和Bob分别将信号光S送入编码模块，闲置光I送入本地探测器探测后用于标记。
[0014]步骤2，编码模块将信号光S编码成四种时间戳
‑
相位量子态：
[0015]|e>、|l>、或然后分别发送给第三方Charlie；本专利技术中第三方Charlie为不受信任的第三方；
[0016]其中，|e>、|l>定义为Z基态，定义为X基态；
[0017]步骤3，当Alice或Bob的本地探测器有一个响应，代表其对应标记的信号光脉冲到达Charlie端，此时Charlie将提前到达的光脉冲存入量子存储器QM中；
[0018]当Alice和Bob的本地探测器都响应时，代表两个光子都到达Charlie端，此时Charlie将此前存储的光脉冲从量子存储器QM中释放出来，使其进入贝尔态测量BSM模块。
[0019]量子存储器QM作用是将先到达的光脉冲存储一段时间，等到两个标记探测器同时响应时才放出存储的光脉冲，使得来自Alice和Bob的两个光脉冲同时到达贝尔态测量BSM模块，从而提高双光子符合计数率步骤4，Charlie对接收到的双光子脉冲执行贝尔态测量BSM操作，并公布测量结果。
[0020]步骤5，Alice和Bob公布自己使用的基矢，根据Charlie公布的测量结果，结合三强度诱骗态方法估计成功事件中单光子脉冲对的计数率和误码率；
[0021]步骤6，Alice和Bob执行纠错和保密放大等后处理操作，生成最终的安全密钥。
[0022]进一步的，贝尔态测量BSM模块包括分束器BS和两个探测器，来自量子存储器QM的两束光脉冲分别到经分束器BS后，分别到达对应的探测器；Charlie端口的两个探测器上各自开两个时间窗口进行响应监控，这里将对应于D
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种量子存储器，其特征在于，包括普克尔斯盒PC、PBS、第一反射镜和第二反射镜，普克尔斯盒PC、PBS和两个反射镜共同构成Sagnac环结构，普克尔斯盒PC位于两个反射镜连线的中心；先到达量子存储器QM的光脉冲偏振方向是|H>，到达PBS后，经透射到达第一反射镜或第二反射镜，反射后的光脉冲经普克尔斯盒PC后，普克尔斯盒PC使得光脉冲的偏振方向变化为|V>，再经另一反射镜后回到PBS，经PBS反射到达第一反射镜或第二反射镜，一直在QM内部循环，当来自于Alice和Bob的两个光脉冲均到达后，普克尔斯盒PC使得先到达的光脉冲的偏振再变化为|H>，从PBS透射出去，离开QM。2.一种基于量子存储的测量设备无关量子密钥分发方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，Alice和Bob分别独立产生三种不同强度的光脉冲，即μ，ν，0,制备N个双模光子对，并束为闲置光I和信号光S，即标记单光子源HSPS；Alice和Bob分别将信号光S送入编码模块，闲置光I送入本地探测器探测后用于标记；步骤2，编码模块将信号光S编码成四种时间戳
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相位量子态：|e>、|l>、或然后分别发送给第三方Charlie；其中，|e>、|l>定义为Z基态，定义为X基态；步骤3，当Alice或Bob的本地探测器有一个响应，代表其对应标记的信号光脉冲到达Charlie端，此时Charlie将提前到达的光脉冲存入量子存储器QM中；当Alice和Bob的本地探测器都响应时，代表两个光子都到达Charlie端，此时Charlie将此前存储的光脉冲从量子存储器QM中释放出来，使其进入贝尔态测量BSM模块；步骤4，Charlie对接收到的双光子脉冲执行贝尔态测量BSM操作，并公布测量结果；步骤5，Alice和Bob公布自己使用的基矢，根据Charlie公布的测量结果，结合三强度诱骗态方法估计成功事件中单光子脉冲对的计数率和误码率；步骤6，Alice和Bob生成最终的安全密钥。3.根据权利要求2所述一种基于量子存储的测量设备无关量子密钥分发方法，其特征在于，贝尔态测量BSM模块包括分束器BS和两个探测器，来自量子存储器QM的两束光脉冲经过分束器BS后，分别到达对应的探测器；Charlie端口的两个探测器上各自开两个时间窗口进行响应监控，这里将对应于D
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探测器的第t个时间窗口记为4.根据权利要求2所述一种基于量子存储的测量设备无关量子密钥分发方法，其特征在于，步骤4中Charlie对接收到的双光子脉冲执行贝尔态测量BSM操作，并公布测量结果；这里采用的是时间戳编码的方式，所述测量结果是指，投影到贝尔态上的事件，其中5.根据权利要求2所述一种基于量子存储的测...

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