[发明专利]一种基于外差测量的四态量子密钥分发方法及系统

权利要求书

1.一种基于外差测量的四态量子密钥分发方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

(1)发送端制备本振光与原始信号光，然后将原始信号光等概率且随机地制备为四种信号光中的一种，对本振光和信号光除相位振幅外的自由度进行差异化，然后再将本振光与信号光合束后通过量子信道发送至接收端；其中，在每一轮成码过程中，四种信号光满足：以其中任意一种信号光的相位为基准相位，其余三种信号光的相位与基准相位的相位差分别为90°、180°、270°；本振光满足：本振光的相位与基准相位之间形成固定的相位差

(2)发送端将每一轮成码过程中发送的信号光所对应的信号态编码为经典比特，所述经典比特即为发送端的初始密钥字符串；

(3)接收端将本振光与信号光之间除相位振幅外的自由度重新统一，以本振光的相位为正则坐标轴，通过外差测量获得信号光的正则坐标值及相应的正则动量值，以测量得到的正则坐标为实部、正则动量为虚部形成复数结果；

(4)接收端将一轮成码中得到的若干复数结果映射为四种信号光相应的信号态，并按照与发送端相同的方式将得到的信号态编码为接收端的初始密钥字符串；

(5)发送端和接收端采用基于凸优化和对偶问题的密钥率计算方法计算安全密钥率，然后对自己持有的初始密钥字符串进行经典纠错并基于计算出的安全密钥率进行隐私放大，最终获得安全密钥。

2.根据权利要求1所述的一种基于外差测量的四态量子密钥分发方法，其特征在于：所述步骤(3)中，将复数结果映射为信号态的具体步骤包括：

1)以进行外差测量之前的本振光相位作为0相位构建复数坐标系，以基准相位与0相位之间的相位差为一个相位角，以为其余三个相位角，从复数坐标系原点引出对应所述四个相位角的四条射线；

2)分别以所述四条射线为中心构成四个扇形区域，每个扇形区域对应一个信号态；

3)将每个复数结果映射到复数坐标系中，根据其落入的扇形区域得到每个复数结果对应的信号态。

3.根据权利要求1所述的一种基于外差测量的四态量子密钥分发方法，其特征在于：

所述基于凸优化和对偶问题的密钥率计算方法计算安全密钥率的具体步骤包括：

构建并求解密钥率计算模型：

其中，R^∞表示密钥率，ρ_AB表示联合密度矩阵，S表示约束条件，H(ρ||σ)是相互熵表明了被攻击后仍然不被攻击者知道的信息量，通过凸优化算法求解后获得最小值的下限；是使得量子的密度矩阵与经典比特有关联的映射，表示收缩量子信道将的映射结果投影到经典比特上；δ_EC代表着经典数据的比特纠错导致的比特损失，δ_EC＝(1-β)H(Z)-βH(Z|X)，其中β为纠错效率，H(Z)为Z的信息熵，H(Z|X)为在已知X情况下Z的信息熵；Pr_save表示保留某一个脉冲的数据用于生成密钥的概率。

4.一种基于外差测量的四态量子密钥分发系统，用于实现权利要求1至3任意一项所述的方法，包括发送端和接收端，其特征在于：

所述发送端包括：脉冲光源模块、n：1分光模块、信号本振异化模块、四态制备模块、合并输出模块和发送端控制模块；其中，脉冲光源模块用于制备高速脉冲激光；n：1分光模块将高速脉冲激光制备成原始信号光和本振光；信号本振异化模块选择并调制原始信号光和本振光除了相位振幅之外的若干自由度，使得原始信号光和本振光经同一光路传输后，能够依据所述若干自由度被分辨出来；四态制备模块将原始信号光随机地制备成所述四种信号光；合并输出模块将四种信号光与本振光合并为一路后输出给接收端；发送端控制模块控制发送端其余各模块实现各自功能，以及与接收端控制模块进行密钥协商；

所述接收端包括：传输校准模块、信号本振反异化模块、外差测量四态分辨模块和接收端控制模块；其中，传输校准模块用于接收合并光并消除合并光在量子信道传输中引起的参数漂移；信号本振反异化模块将信号光和本振光分出来，并将信号光和本振光经过信号本振异化模块调制过的自由度回复原来的状态；外差测量四态分辨模块对四种信号光进行测量，得到本振态相位为基准的正则坐标与其对应的正则动量，根据正则坐标和正则动量分辨出四种信号态；接收端控制模块控制接收端其余各模块实现各自功能，以及与发送端控制模块进行密钥协商。