一种刻画测量无关类量子密钥分发系统中光源缺陷的方法技术方案

本发明专利技术提出了一种基于双光子干涉定量刻画测量无关类量子密钥分发系统中实际光源缺陷的方法。本发明专利技术将光分束为上下两个支路，其中上支路通过偏振调制单元和强度调制单元进行编码和诱骗态调制，下支路作为未经调制的参考光，两支路的光在监测模块的分束器上进行干涉，通过干涉可见度实现光源缺陷的监测与刻画。在理论方法上，本发明专利技术建立了干涉可见度和保真度之间的关系，通过干涉可见度表征了发送端存在的实际漏洞。与现有技术相比，本发明专利技术可以刻画高维的安全性漏洞，适配诱骗态的应用场景，有效提高方案安全性，在安全性上接近设备无关量子密钥分发协议，且在光源存在较大误差情况下依旧可以获得较远的传输距离。情况下依旧可以获得较远的传输距离。情况下依旧可以获得较远的传输距离。

【技术实现步骤摘要】
一种刻画测量无关类量子密钥分发系统中光源缺陷的方法


[0001]本专利技术设计量子密钥分发
，具体涉及一种刻画测量无关类量子密钥分发系统中光源缺陷的方法。

技术介绍

[0002]量子密钥分发(QKD)是一种使用量子态作为密钥分发的载体，在通信双方Alice和Bob之间实现安全通信的方式。与传统的基于数学复杂度的密钥分发算法(如：RSA算法)不同，QKD的安全性基于量子力学规律。在QKD过程中，任何窃听行为都会留下痕迹，通过追踪这些痕迹并进行数据后处理，就可以将窃听者获取的密钥信息量降到几乎为零的程度。也就是说，QKD的安全性不依赖于窃听者Eve的计算能力。自Bennett和Brassard在1984年提出了第一个BB84协议以来，人们围绕着安全性和实用性两方面做了大量相关研究。
[0003]然而，在QKD的安全证明和实际实现之间仍然存在差距或所谓的安全漏洞。2007年，设备无关量子密钥分发协议被提出(Phy.Rev.Lett.98，230501)，其方案天然免疫所有侧信道攻击，但由于对探测器效率和信道损耗的高要求而受到实用性的限制。作为替代方案，2012年提出的测量设备无关量子密钥分发协议消除了易受攻击的探测端的所有侧信道(Phys.Rev.Lett.108，130503)。2018年提出的双场量子密钥分发协议保持了测量设备无关量子密钥分发协议的优点(Nat.557，400
‑
403)，并且打破了PLOB界。然而，光源端仍然容易存在着调制偏差和攻击的问题。
[0004]近年来，为了解决光源端安全性漏洞来改进量子密钥分发的安全性，许多工作被提出，包括2019年提出的容忍损耗方法(loss
‑
tolerant method)(Phys.Rev.A 90，052314)，引入了一种通用的相位误码率的估计方法，在这种方法下，相位随机化光源所制备的态的误差的影响可以忽略不计。2021年提出的参考技术(reference technique)(Phys.Rev.Applied 15，034072)，通过一个参数相对完整的表征光源端的安全漏洞。在这些工作中，容忍损耗方法仅考虑了二维空间中的态制备误差，参考技术又很难达到可实际应用的安全成码率。另一方面，由模式依赖效应引起的侧信道，例如经典脉冲相关性(Quantum 5，602)或诱骗态和信号态可区分性(Phys.Rev.A 98，012330)，需要额外的参数来表征光源安全性漏洞，虽然已经在理论上得到解决，然而，这些参数在实验中往往很难测量(Sci.Bull.67，2167)，使得高维的光源泄漏在实际中难以定量刻画。2021年，Duplinskiy等人提出了一种通过监测Hong
‑
Ou
‑
Mandel(HOM)干涉可见度来表征被动侧信道信息泄漏的新方法(Phys.Rev.A.104，012601)，并在BB84协议中实现了该方法，但没有考虑诱骗态方法及信号态和诱骗态之间的可区分性。

技术实现思路

[0005]专利技术目的：本专利技术目的是提供一种刻画测量无关类量子密钥分发系统(QKD)中光源缺陷的方法及系统，解决了现有量子密钥分发协议在保证高安全性下成码率低的问题。本专利技术提供了一种通过测量参考脉冲和调制脉冲之间的HOM干涉可见度定量刻画光源缺陷
的方法，与MDI
‑
QKD和TF
‑
QKD等协议相结合可达到接近DI
‑
QKD的安全性。本专利技术为了适配诱骗态的应用场景，重新考虑了信号态和诱骗态的可区分性，并估算了单光子脉冲的响应率和误差率。本专利技术设计的可行实际系统对设备的要求与原本的协议相近，实用化高。
[0006]技术方案：本专利技术提出一种刻画测量无关类量子密钥分发系统(QKD)中光源缺陷的方法，具体包括：
[0007]步骤1，Alice和Bob分别制备相位随机化的弱相干光脉冲，并分别对各自制备的脉冲进行偏振编码，随机选择基、比特值和光源强度；
[0008]Alice与Bob将制备的信号态发送给中间测量设备端Charlie，同时对光源进行干涉可见度监测，并记录双光子干涉可见度值。
[0009]步骤2，Charlie对来自Alice和Bob的信号态进行Bell态测量，保留Bell态测量成功的事件，并记录下响应的探测器和响应发生时刻；
[0010]步骤3，重复上述步骤1和2，分发完成后Charlie公布自己有效时刻下的响应探测器和响应发生时刻，之后Alice和Bob各自公布有效时刻下光强和基矢信息，取相同基矢情况下形成各自基矢下的原始密钥；
[0011]步骤4，Alice和Bob进行增益与量子比特误码率的估计，若所估计的增益与量子比特误码率符合成码的要求，则继续协议；否则放弃协议并重新进行上述过程；
[0012]步骤5，Alice和Bob进行纠错与隐私放大并生成最后的安全密钥。
[0013]进一步的，步骤1中对脉冲进行偏振编码的具体过程为：
[0014]偏振调制的选择为{0
°
(|H>)，90
°
(|V>)，45
°
(|D>)，135
°
(|A>)}，其中Z基制备偏振信息为|H>，|H>的脉冲，X基为|D>，|A>的脉冲，Alice和Bob分别以概率p
x
和1
‑
p
x
的概率选择X基于Z基，其中p
x
∈[0,1]；Alice和Bob选择基矢后等概率地选择偏振信息对脉冲进行调制，且脉冲由三强度光源发出，分别以p
μ
、p
v
和p0的概率发出光强为μ的信号态脉冲、光强为v的诱骗态脉冲和光强为0的脉冲。
[0015]进一步的，建立保真度F(ρ
x
,ρ
y
)和双光子干涉可见度之间的联系；
[0016]F(ρ
x
,ρ
y
)表示ρ
x
(λ)和ρ
y
(λ)之间的保真度，x和y表示脉冲强度，其中x,y∈{μ,v,0}。将光源的密度矩阵ρ
ψ
表示为其原本的密度矩阵和高维信息ρ
ω
(λ)的张量积，ρ
ω
表示为：
[0017]定义Eve用来辨别信号态和诱骗态的态为ρ
ω
(λ)，λ是Eve测量的参数，是指时间或频率，ω是脉冲的强度，其中ω∈{x,y}；
[0018]F(ρ
x
,ρ
y
)保真度的计算通过下式计算得到；
[0019][0020]其中用来表示ρ
x
和ρ
y
之间的相似度，表示脉冲光子数所满足的泊松分布。
[0021]进一步的，单光子本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种刻画测量无关类量子密钥分发系统中光源缺陷的方法，其特征在于，在偏振编码MDI
‑
QKD场景中，Alice和Bob分别制备相位随机化的弱相干光脉冲，并分别对各自制备的脉冲进行偏振编码，随机选择基、比特值和光源强度；Alice与Bob将制备的信号态发送给中间测量设备端Charlie，同时对光源进行干涉可见度监测，并记录双光子干涉可见度值。2.根据权利要求1所述一种刻画测量无关类量子密钥分发系统中光源缺陷的方法，其特征在于，还包括，Charlie对来自Alice和Bob的信号态进行Bell态测量，保留Bell态测量成功的事件，并记录下响应的探测器和响应发生时刻；重复上述态制备和测量的过程，分发完成后Charlie公布自己有效时刻下的响应探测器和响应发生时刻，之后Alice和Bob各自公布有效时刻下光强和基矢信息，取相同基矢情况下形成各自基矢下的原始密钥；Alice和Bob进行增益与量子比特误码率的估计，若所估计的增益与量子比特误码率符合成码的要求，则继续协议；否则放弃协议并重新进行上述过程；Alice和Bob进行纠错与隐私放大并生成最后的安全密钥。3.根据权利要求1所述一种刻画测量无关类量子密钥分发系统中光源缺陷的方法，其特征在于，步骤1中对脉冲进行偏振编码的具体过程为：偏振调制的选择为{0
°
(|H>)，90
°
(|V>)，45
°
(|D>)，135
°
(|A>)}，其中Z基制备偏振信息为|H>，|V>的脉冲，X基为|D>，|A>的脉冲，Alice和Bob分别以概率p
x
和1
‑
p
x
的概率选择X基于Z基，其中p
x
∈[0,1]；Alice和Bob选择基矢后等概率地选择偏振信息对脉冲进行调制，且脉冲由三强度光源发出，分别以p
μ
、p
v
和p0的概率发出光强为μ的信号态脉冲、光强为v的诱骗态脉冲和光强为0的脉冲。4.根据权利要求1或2所述一种刻画测量无关类量子密钥分发系统中光源缺陷的方法，其特征在于，建立了保真度F(ρ
x
,ρ
y
)和双光子干涉可见度之间的联系；F(ρ
x
,ρ
y
)表示ρ
x
(λ)和ρ
y
(λ)之间的保真度，x和y表示脉冲强度，其中x,y∈{μ,v,0}；将光源的密度矩阵ρ
ω
表示为其原本的密度矩阵和高维信息ρ
ω
(λ)的张量积，ρ
ω
表示为：定义Eve用来辨别信号态和诱骗态的态为ρ
ω
(λ)，λ是Eve测量的参数，是指时间或频率，ω是脉冲的强度，其中ω∈{x,y}；F(ρ
x
,ρ
y
)保真度的计算通过下式计算得到；其中用来表示ρ
x
和ρ
y
之间的相似度，V
HOM
是ρ
x
和ρ
y
的双光子干涉可见度，表示脉冲光子数所满足的泊松分布。5.根据权利要求4所述一种刻画测量无关类量子密钥分发系统中光源缺陷的方法，其特征在于，适配诱骗态的应用场景单光子计数率的下界和误码率的上界的计算公式分别
是：是：其中Q
xy
和，E
xy
分别表示来自Alice的脉冲强度为x且来自Bob的脉冲强度为y时的总增益和比特误码率，x,y∈{μ,v,0}，其中使用上划线和下划线来分别表示参数的上界和下界；D
xy
用来表示ρ
x
(λ)和ρ
y
(λ)的迹距离，即：通过下式约束：其中，表示为Alice发送的脉冲光子数为n，Bob发送的脉冲光子数为m，且都为x强度时的光子计数率。6.根据权利要求5所述一种刻画测量无关类...

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