[发明专利]用于量子密钥分发系统的初始密钥纠错模块及方法

说明书

本发明公开了一种用于量子密钥分发系统的纠错模块及方法。在本发明中，纠错模块可以根据其具备的实时纠错速率和量子密钥分发系统的初始密钥实时生成速率来动态地调整量子密钥分发系统或所述纠错算法的参数，由此使得能够最大程度地利用纠错模块的纠错能力，提高纠错性能。

技术领域

本发明涉及量子通信技术领域，更具体地涉及量子密钥分发系统中初始密钥纠错模块及方法。

背景技术

基于量子力学基本定律、海森堡不确定原理和量子态不可克隆定理等理论的量子密钥分发(QKD)技术被视为可以提供安全性最高的加密通信。在量子密钥分发的过程中，不可避免地会引入一些错误，这些错误的可能来源包括：量子信道的干扰、光学校准的不完美、接收方引入的噪声、攻击方的攻击引入等等，这些错误会体现在发送方Alice和接收方Bob所产生的初始密钥(Sifted Key)中，这些错误的位置是随机的，需要发送方Alice和接收方Bob对两者初始密钥不一样的部分进行纠正，从而得到完全一致的密钥(CorrectedKey)。上述纠正的过程称之为纠错。

常见的纠错算法包括BBSSS算法、Cascade算法、Winnow算法和LDPC算法等。

在1994年，Brassard首先讨论了Cascade算法，该算法的主要方案为：对初始密钥分段使用奇偶校验，寻找并纠正初始密钥中的错误，并通过迭代上述过程n次完成对Alice和Bob的初始密钥所有错误的纠正。

Winnow纠错算法采用经典纠错码理论中的Hamming码进行纠错，其中过程主要如下：对初始密钥分段，Alice和Bob之间通过使用奇偶校验的方式确定奇偶校验值不一样的段，分别记为集合A和集合B，Alice计算集合A中每一段初始密钥的Hamming伴随式并发送至Bob，Bob根据集合B计算得到的Hamming伴随式与Alice发过来的结果进行异或运算，得到每一段初始密钥中错误比特的位置，将该比特位进行翻转(0→1,1→0)，完成后打乱整个初始密钥，重复上述过程达到n次后结束。

在上述纠错算法的实际应用中，结束判断条件通常为单次纠错时间达到某一固定阈值(比如，0.99秒)时，或者纠错算法迭代次数达到某一固定阈值(比如，8次)时，还未能完成纠错，则判定为本次纠错失败，未能获取有效的密钥。

纠错迭代次数随初始密钥错误率的不同而改变。即使初始密钥的错误率为某一固定值时，由于初始密钥中错误比特的位置是随机分布的，纠错迭代次数也是不确定。这种以“纠错迭代次数达到某一固定阈值”作为纠错失败的判断方式过于简单，在一定程度上降低了纠错算法的纠错性能。对于整个量子密钥分发系统来说，也降低了系统的成码率水平。

其次，Cascade算法、类Cascade算法的纠错过程中，均需要进行多次的经典网络信息通信，用以交互“哪些初始密钥发生了错误”的信息。例如，使用Cascade算法对长度为256kbit长度的初始密钥进行纠错时，通常需要进行50至100次的经典网络信息交互。使用类Cascade算法，也通常需要进行数十次左右的经典网络信息交互。一次纠错过程所耗费的时间包含了发送方Alice和接收方Bob本地计算处理的时间和网络信息交互的时间。在实际应用过程中，由于经典网络的延时是不确定的，当某一时间段内经典网络延时出现突发性增大时，单次纠错的总时间大于固定阈值，将导致纠错过程因为超时而失败，最终导致QKD系统无法正常工作。