【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于量子通信、量子信息技术等领域，具体的说是涉及一种针对参考系无关量子密钥分发协议的改进的统计起伏分析方法。
技术介绍
1、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。2010年，laing a,scarani v,rarity jg等人在《reference-frame-independent quantum key distribution》人提出了参考系无关量子密钥分发(rfi-qkd)协议，能有效地解决了需要校准参考系的问题。参考系无关量子密钥分发(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。
2、然而，在参考系无关量子密钥分发(rfi-qkd)协议中，需要使用3组基以及不同基矢组合的测量数据，因此受到有限长效应影响严重，导致信道参数估计不紧致，限制了参考系无关量子密钥分发(rfi-qkd)系统最终的密钥率和距离。
技术实现思路p>
1、为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种针对参考系无关量子密钥分发协议的改进的统计起伏分析方法，通过使用改进的mcdiarmid不等式，可以直接对信道参数和密钥率r进行统计起伏分析。此方法是在不改变rfi-qkd实验设置和后处理方法的情况下，通过减小测量数据的有限长效应，使得信道参数的估计更为紧致，最终使得安全成码率更高。此外，该方法可以抵御集体攻击，在保证系统安全性的前提下可以显著提高密钥率。
2、为了达到上述目的，本专利技术是通过以下技术方案实现的：
3、本专利技术是一种针对参考系无关量子密钥分发协议的改进的统计起伏分析方法，步骤为：
4、步骤1、量子态制备：alice分别以概率pμ、pν、1-pμ-pν随机调制信号态、诱骗态和真空态脉冲。对于信号态脉冲，alice分别以条件概率制备za、xa和ya基下的量子态；对于诱骗态脉冲，alice分别以概率和制备za、xa和ya基下的量子态。
5、步骤2、量子态测量：bob以概率和随机选择zb、xb和yb基测量接收到的脉冲，并记录测量结果。
6、步骤3、基矢比对：alice和bob通过已认证的经典信道公布基矢和强度选择信息，保留制备测量基矢组合zazb、xaxb、xayb、yaxb以及yayb下的数据，其他基矢组合的数据则被丢弃。alice和bob随机选择筛后密钥中的部分比特，可以估算出基矢组合zazb下的增益和总量子比特误码率。由于rfi-qkd协议中需要使用3组基以及不同基矢组合的测量数据，因此受到有限长效应影响严重，采用mcdiarmid不等式进行统计涨落分析；
7、步骤4、参数估计：可以估算出各基矢组合下的单光子误码率和中间参量c。eve窃取的信息量ie是中间参量c和基矢组合zazb基下单光子误码率的上界的函数，采用mcdiarmid不等式减小ie的有限长效应，使信道参数估计更加紧致；
8、步骤5、得到最终在失败概率为下的成码率公式r。
9、进一步的，采用mcdiarmid不等式减小成码率公式中的有限长效应。在失败概率为下的成码率为：
10、
11、其中，ie是eve窃取的信息量，p1(μ)是强度为μ的单光子的概率，因为k＝3(奇)，取k0＝2，所以是从k0到k的变量j，但跳过n。是强度为μn的增益。是对所有强度为μn求均值后的增益，是z基制备和测量的比特数。为失败概率，χ为10。εsec和εcor分别为alice和bob之间最终共享的密钥私密性和正确性的安全性参数。f为纠错效率，h(x)＝-xlog2(x)-(1-x)log2(1-x)是二元香农熵函数。
12、进一步的，单光子增益由于有限长效应而导致的统计起伏可以采用超几何分布随机变量的hoeffding不等式来处理。这是mcdiarmid不等式的特殊情况。对其应用超几何随机变量的hoeffding不等式，有：此时的失败概率不超过这里的χ为10，定义函数esssup为本质最大值，essinf为本质最小值。
13、进一步的，采用mcdiarmid不等式减小ie的有限长效应。
14、
15、其中
16、
17、
18、
19、可以得到单光子误码率满足以下的条件：
20、
21、
22、
23、ξa，ξb∈{x,y,z}。和分别为ξaξb基矢组合下、强度为μn时的增益和平均误码率。
24、进一步的，中心序列与改进版的mcdiarmid不等式有关，其表征如下：
25、其中：{wp(i)}是一个递减序列，让集合中的k个元素按降序排列为{w(1),w(2),……,w(k)}，n(i)是与对应的bell基测量事件的个数。并且有：
26、
27、
28、
29、
30、和分别为ξaξb基矢组合下单光子的条件增益和误码率，为ξaξb基矢组合的比特数。
31、进一步的，参数y、t、x、与单光子的计数率和误码率有关，其表征如下：
32、
33、
34、
35、由上式可以求出的最小值。
36、本专利技术的有益效果为：本专利技术所述的一种针对参考系无关量子密钥分发协议的改进的统计起伏分析方法，通过使用改进版mcdiarmid不等式，可以直接对信道参数和密钥率r进行统计起伏分析。rfi-qkd协议需要使用3组基以及不同基矢组合的测量数据，因此受到有限长效应影响严重。此方法是在不改变rfi-qkd实验设置和后处理方法的情况下，通过减小测量数据的有限长效应，使得信道参数的估计更为紧致，最终安全成码率更高。该方法可以抵御集体攻击，在保证系统安全性的前提下可以显著提高密钥率。且相比于其他统计起伏的方法，该方法下的量子密钥的实际性能最好，无论从安全性假设还是从成码率和传输距离都有着最好的表现。
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1.一种针对参考系无关量子密钥分发协议的改进的统计起伏分析方法，其特征在于：所述统计起伏分析方法包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种针对参考系无关量子密钥分发协议的改进的统计起伏分析方法，其特征在于：所述步骤3中，采用McDiarmid不等式进行统计涨落分析，具体为：
3.根据权利要求1所述的一种针对参考系无关量子密钥分发协议的改进的统计起伏分析方法，其特征在于：步骤4中，采用McDiarmid不等式减小IE的有限长效应：
4.根据权利要求3所述的一种针对参考系无关量子密钥分发协议的改进的统计起伏分析方法，其特征在于：步骤4中，中间参量C表示为：
5.根据权利要求4所述的一种针对参考系无关量子密钥分发协议的改进的统计起伏分析方法，其特征在于：中心序列表示为：
6.根据权利要求5所述的一种针对参考系无关量子密钥分发协议的改进的统计起伏分析方法，其特征在于：步骤5中，采用McDiarmid不等式减小成码率公式中的有限长效应，在失败概率为下的成码率R为：
【技术特征摘要】
1.一种针对参考系无关量子密钥分发协议的改进的统计起伏分析方法，其特征在于：所述统计起伏分析方法包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种针对参考系无关量子密钥分发协议的改进的统计起伏分析方法，其特征在于：所述步骤3中，采用mcdiarmid不等式进行统计涨落分析，具体为：
3.根据权利要求1所述的一种针对参考系无关量子密钥分发协议的改进的统计起伏分析方法，其特征在于：步骤4中，采用mcdiarmid不等式减小ie的有限长效应：
【专利技术属性】
技术研发人员：张佳一，陈华星，张桓毓，张春辉，周星宇，王琴，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：
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