[发明专利]一种用于多自由度调制QKD的私钥放大方法及系统

说明书

本发明公开了一种用于多自由度调制QKD的私钥放大系统和方法，包括发送端和接收端对方法中所涉及参数进行测算；发送端和接收端在信道中共享一个Hash函数；发送端和接收端将各自的长度为l密钥串末尾补零，平均分成L组；发送端和接收端对密钥串进行第一级私钥放大；发送端和接收端将产生密钥分为两部分，一部分用于错误校验，一部分用于第二级私钥放大；发送端和接收端公开比对，不一致则丢弃本组密钥结束私钥放大，一致则执行下一步；发送端和接收端对密钥串进行第二级私钥放大得最终安全密钥。本发明采用两级私钥放大，将错误校验步骤融入私钥放大步骤，以及预存随机数等方法和系统，使得系统在有安全性的前提之下不仅完成减小有限长效应，同时提升数据处理效率及运行速度。

技术领域

本发明涉及量子保密通信以及光纤通信领域，具体涉及一种用于多自由度调制QKD的私钥放大方法及系统。

背景技术

区别于经典密码体系，量子密钥分发(Quantum Key Distribution,QKD)的安全性基于量子力学的三个基本定律——海森堡不确定性原理、测量坍塌原理、不可克隆原理，融合一次一密(One Time Pad,OTP)的密码体制，可以实现合法通信双方共享一组无条件安全的密钥。因此，在量子密钥分发过程中，任何来自第三方的窃听行为都可以被合法通信双方检测到。

然而，量子信道自身存在通信损耗，量子态的制备和测量过程也会不可避免地引入噪声，要得到完全相同且完全安全的密钥，需要对密钥进一步处理。多自由度调制QKD后处理系统没有传统的筛选单元，无基矢比对过程，提升该QKD系统密钥率和数据处理速度就需要在纠错(密钥协商)和保密放大(私钥放大)过程中寻求突破。私钥放大是QKD的一个重要环节，实现合法通信双方舍弃部分密钥而使得窃听者所窃取的信息呈指数级减少，直至降低到可接受的安全范围之内。

哈希函数常用于私钥放大中，需具备下述特征——需为通用哈希函数或近通用哈希函数，描述该函数的比特数必须较短，该函数必须为高效的，该函数可用于大比特数的运算。在私钥放大系统中，合法通信双方共享一个相同的哈希函数集，进行私钥放大时一方随机选取一个哈希函数并公开对其的描述，另一方据描述选取相同的哈希函数。

设哈希函数族H是从集合A到集合B的映射，若满足:

|{h∈H:h(a₁)＝h(a₂)}|≤|H|/|B|,

则该哈希函数族H称为普适类哈希函数族，常用的普适类哈希函数族有三种——Toeplitz矩阵、基于有限域乘法的哈希函数族、基于模算数的哈希函数族(假设维度均为(a*b))。在这之中，描述基于有限域乘法的普适类哈希函数族所需比特数最短，为a；描述Toeplitz矩阵是目前私钥放大系统最常用的普适类哈希函数，可以使用快速傅里叶变换算法对其进行，描述该矩阵仅需要(a+b-1)比特信息。

基于双速协议的相位偏振联合调制QKD方法实现了将BB84协议的内禀光子利用率由0.5提高到了2，具有极高的理论意义和实用价值。一方面，出于该QKD方法的独特性其对后处理的要求与传统QKD有较大的差异；另一方面随着QKD系统工作频率越来越高，近年来GHz以上重复频率的量子密钥分配系统大量涌现，QKD在经典信道上交互的数据量大大增加，选择合适的且具有高速处理速率的私钥放大算法对于提升多自由度调制的QKD私钥放大系统的性能以及实现其工程化具有重要的意义。

专利1(专利公开号：CN106685655B)提出了一种相位偏振多自由度调制QKD的物理系统网络，未涉及私钥放大系统和方法的研究；

专利2(专利公开号：CN111200493A)提出了一种相位偏振联合调制QKD的后处理系统系统和方法，提出信息交互单元、参数估计单元、纠错单元、保密放大单元的连接方式和信息交互方式，未涉及具体私钥放大(保密放大)内部系统和方法的研究。

因此需要对现有的QKD系统进行进一步地改进，做到化简流程又提高了私钥放大速率。少了资源消耗、保证了私钥放大过程的安全性、提升了系统数据处理速率。