一种量子密钥分发系统及方法与流程

本发明涉及量子信息技术领域，尤其涉及一种量子密钥分发系统及方法。

背景技术：

随着互联网技术的蓬勃发展，通讯安全的重要性与日俱增。在众多场合下，通讯双方希望在利用公共信道的情况下进行保密通讯。例如，当用户向网上银行提交账号和密码的时候，用户希望这些信息在传递过程中是保密的，即任何第三方都无法窃听。当前广泛使用的加密方法是公钥加密算法。此类算法基于某些数学问题的算法复杂度，随着科技的发展，他们的安全性受到威胁。因此，我们亟需开发更加安全可靠的加密方法。

量子密钥分发技术是基于量子力学特性的全新的密钥分发方案，是量子信息技术中最有应用前景的技术之一。该技术借用公共信道使得通讯双方之间共享安全的随机密钥。结合一次一密的加密方法，共享的随机密钥可以用来对通讯中的信息进行加密，从而保证通讯安全。量子密钥分发的安全性基于物理学基本原理，因此是信息论安全的。

目前，现有技术中已经提供了一些商用的量子密钥分发系统，这些系统大部分基于BB84协议。系统分为发送装置和接收装置。在BB84协议中，用来传输密钥的量子信号源是单光子，其所需传输的密钥信息是编码在单光子的偏振态(或极化方向)上的。发送装置将信息编码在四种不同的量子态|0>、|1>、|+>、|->上。在硬件层面上，上述四种量子态可以由光子的不同自由度来编码实现。例如，在使用偏振编码时，可以选择沿水平方向、垂直方向、45°以及135°方向的线性偏振的单光子作为量子信息的载体，处于上述四种方向的偏振状态的单光子可以分别用|0>、|1>、|+>、|->等四个量子态来表示；同理，在使用相位编码时，可以用光子两个相干波包之间的四个相位值来代表四种量子态|0>、|1>、|+>、|->。

其中，在上述的四种量子态中，|0>和|1>相互正交，因此可组成一组测量基，称之为直测量基(简称Z基，下同)，|0>态和|1>态是Z基的两个本征态；|+>和|->也相互正交，因此可组成另一组测量基，称之为斜测量基(简称X基，下同)，|+>态和|->态是X基的两个本征态。

上述的四种量子态之间的关系如下：

$|+\>=\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\right|0\>+|1\>),|-\>=\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\right|0\>-|1\>).$

为了传输经典信息，BB84协议将一个光子制备在上述的四个量子态上，并约定每个量子态所代表的编码信息。例如，在BB84协议中，通过光的偏振，从而对光子进行编码，以等概率随机编码在Z基和X基上。发送方随机产生一串由0、1比特组成的数串，当选择在Z基下进行编码时，发送方将0编码成|0>，将1编码成|1>；而当选择在X基下进行编码时，发送方将0编码成|+>，将1编码成|->。然后，发送方通过量子信道将上述的量子态发送给接收方，接收方以等概率使用X基或Z基测量从发送方发出的量子态；接着，发送方和接收方在被鉴定的经典信道中公布各自在进行编码或测量时所选择使用的测量基，从而筛选出双方选择了相同的测量基进行编码或测量时的编码数据，作为所传输的密钥信息。

因此，在执行上述BB84协议时，发送装置需要对上述四种量子态进行随机发射。为此，硬件实现上一般有两种方法：一种是采用一台激光器，并对其发射出来的光进行(偏振、相位等自由度)快速调制；另一种是使用四台激光器(如图1所示)，每台激光器固定发送一种量子态，配合一个光开关将四路光复用到一个信道上。

实用密钥分发系统的一个重要性能参数是发送装置的发射速率。一般来说，发射速率越高，系统最终密钥率越高。然而，现有技术中的量子密钥分发系统需要随机发送四种量子态。如前所示，发送装置若使用一台激光器的方案，则系统对调制部件的调制速率要求较高；若使用多台激光器的方案，则系统对激光器数量以及光开关的速率要求较高。因此可知，现有技术中的上述两种方法中，由于使用了四种量子态，因此发射端的成本较高，系统最终密钥率较低。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种量子密钥分发系统及方法，从而只需使用三种量子态即可进行安全的量子密钥分发，降低了设备成本，提高了密钥率。

本发明的技术方案具体是这样实现的：

一种量子密钥分发方法，该方法包括如下步骤：

A、从属于两组不同测量基的四种量子态中任意选择三种量子态，并预先对所选择的三种量子态进行编码，且在所选择的三种量子态中，将属于同一组测量基的两个量子态所对应的编码作为原始密钥信息，将另一个量子态所对应的编码作为参数估计信息；

B、发送装置向接收装置随机发送所述三种量子态；

C、接收装置随机使用两组测量基中的一组测量基对所接收的量子态进行测量，得到测量结果；

D、发送装置将所发送的各个量子态的测量基信息发送给接收装置；接收装置将对所接收的量子态所使用的测量基信息发送给发送装置；

E、发送装置和接收装置进行参数估计，得到误码率；如果误码率大于预设阈值则终止整个流程；否则，执行步骤F；

F、发送装置和接收装置进行纠错；

G、发送装置和接收装置进行隐私放大，得到密钥。

较佳的，所述两组不同测量基为直测量基和斜测量基。

较佳的，所选择的三种量子态为：

|0>、|1>、|+>；

或者|0>、|1>、|->；

或者|+>、|->、|0>；

或者|+>、|->、|1>。

较佳的，当所选择的三种量子态为：|0>、|1>、|+>时：

将0编码成|0>，将1编码成|1>；

将量子态|0>、|1>所对应的编码作为原始密钥信息，将量子态|+>所对应的编码作为参数估计信息。

本发明中还提供了一种量子密钥分发系统，该系统包括：发送装置和接收装置；

所述发送装置和接收装置通过传输信道连接；

所述发送装置，用于向接收装置随机发送预先约定的三种量子态；还用于将所发送的各个量子态的测量基信息发送给接收装置；还用于根据所发送的各个量子态和接收到的测量基信息进行参数估计，得到误码率；当误码率不大于预设阈值时，进行纠错并进行隐私放大，得到密钥；

其中，所述预先约定的三种量子态为从属于两组不同测量基的四种量子态中任意选择的三种量子态，并预先对所选择的三种量子态进行编码，且在所选择的三种量子态中，将属于同一组测量基的两个量子态所对应的编码作为原始密钥信息，将另一个量子态所对应的编码作为参数估计信息；

所述接收装置，用于随机使用两组测量基中的一组测量基对所接收的量子态进行测量，得到测量结果；还用于将对所接收的量子态所使用的测量基信息发送给接收装置，并根据测量结果和接收到的测量基信息进行参数估计，得到误码率；当误码率不大于预设阈值时，进行纠错并进行隐私放大，得到密钥。

较佳的，所述发送装置包括：第一控制器、激光器和调制器；

所述接收装置包括：单光子探测单元和第二控制器；

所述第一控制器的信号输出端与激光器连接；所述激光器的输出端与调制器连接；所述调制器的输出端通过传输信道与单光子探测单元连接；所述单光子探测单元的输出端与第二控制器连接；所述第一控制器的同步信号端与第二控制器的同步信号端连接；

所述第一控制器通过发送控制信号控制激光器输出单光子；还用于将调制器所发送的各个量子态的测量基信息发送给第二控制器；还用于根据调制器所发送的各个量子态和接收到的测量基信息进行参数估计，得到误码率；当误码率不大于预设阈值时，进行纠错并进行隐私放大，得到密钥；

所述激光器用于根据控制信号向所述调制器输出单光子；

所述调制器用于将接收到的单光子随机调制成预先约定的三种量子态，并将调制后的量子态通过传输信道传输给单光子探测单元，并同时将所发送的量子态发送给第一控制器；

所述单光子探测单元随机使用两组测量基中的一组测量基对所接收的量子态进行测量，得到测量结果，并将测量结果和对所接收的量子态所使用的测量基信息发送给第二控制器；

所述第二控制器，用于将对所接收的量子态所使用的测量基信息发送给第一控制器，还用于根据测量结果和接收到的测量基信息进行参数估计，得到误码率；当误码率不大于预设阈值时，进行纠错并进行隐私放大，得到密钥。

较佳的，所述发送装置包括：第一控制器、第一激光器、第二激光器、第三激光器和调制器；

所述接收装置包括：单光子探测单元和第二控制器；

所述第一控制器的信号输出端分别与第一激光器、第二激光器和第三激光器连接；所述第一激光器、第二激光器和第三激光器的输出端均与调制器连接；所述调制器的输出端通过传输信道与单光子探测单元连接；所述单光子探测单元的输出端与第二控制器连接；所述第一控制器的同步信号端与第二控制器的同步信号端连接；

所述第一控制器通过发送控制信号控制第一激光器、第二激光器或第三激光器输出具有确定量子态的单光子；还用于将调制器所发送的各个量子态的测量基信息发送给第二控制器；还用于根据调制器所发送的各个量子态和接收到的测量基信息进行参数估计，得到误码率；当误码率不大于预设阈值时，进行纠错并进行隐私放大，得到密钥；

所述第一激光器、第二激光器和第三激光器分别根据控制信号向所述调制器输出具有确定的第一量子态、第二量子态和第三量子态的单光子；其中，所述第一量子态、第二量子态和第三量子态为预先约定的三种量子态；

所述调制器用于从所接收到的三种量子态中随机选择一种量子态，并将所选择的量子态通过传输信道传输给单光子探测单元，并同时将所发送的量子态发送给第一控制器；

所述单光子探测单元随机使用两组测量基中的一组测量基对所接收的量子态进行测量，得到测量结果，并将测量结果和对所接收的量子态所使用的测量基信息发送给第二控制器；

所述第二控制器，用于将对所接收的量子态所使用的测量基信息发送给第一控制器，还用于根据测量结果和接收到的测量基信息进行参数估计，得到误码率；当误码率不大于预设阈值时，进行纠错并进行隐私放大，得到密钥。

较佳的，所述调制器为光开关。

较佳的，所述调制器为光电调制器EOM。

较佳的，所述传输信道为光纤或自由空间。

由上述技术方案可见，在本发明的量子密钥分发系统及方法中，由于发送装置只需使用三种量子态而不必使用四种量子态即可向接收装置传输密钥，完成量子密钥的分发，因此，与现有技术相比，本发明的技术方案只需使用较少的量子态即可在保证安全性的前提下进行安全的量子密钥分发，从而可以有效地降低设备成本，提高密钥率。

附图说明

图1为现有技术中的量子密钥分发系统的结构示意图。

图2为本发明实施例中的量子密钥分发方法的流程示意图。

图3为本发明实施例中的量子密钥分发系统的整体结构示意图。

图4为本发明的具体实施例一中的量子密钥分发系统的结构示意图。

图5为本发明的具体实施例二中的量子密钥分发系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步详细的说明。

图2为本发明实施例中的量子密钥分发方法的流程示意图。如图2所示，本发明实施例中的量子密钥分发方法包括：

步骤21，从属于两组不同测量基的四种量子态中任意选择三种量子态，并预先对所选择的三种量子态进行编码，且在所选择的三种量子态中，将属于同一组测量基的两个量子态所对应的编码作为原始密钥信息，将另一个量子态所对应的编码作为参数估计信息。

例如，较佳的，在本发明的具体实施例中，可以先选择两组不同测量基。所述两组不同测量基可以是上述的直测量基(Z基)和斜测量基(X基)。然后，可从上述Z基和X基的四种量子态|0>、|1>、|+>、|->中，任意选择三种量子态。

例如，较佳的，在本发明的具体实施例中，所选择的三种量子态可以是|0>、|1>、|+>，也可以是：|0>、|1>、|->，也可以是：|+>、|->、|0>；还可以是：|+>、|->、|1>。

为了便于描述，以下将以其中的一种选择方式(即所选择的三种量子态为：|0>、|1>、|+>)为例，对本发明的技术方案进行清楚而详细的介绍。

在选择了三种量子态之后，即可对所选择的三种量子态进行编码。

例如，较佳的，在本发明的具体实施例中，当所选择的三种量子态为：|0>、|1>、|+>时，可以将0编码成|0>，将1编码成|1>。

另外，在本发明的技术方案中，还将预先约定属于同一组测量基的两个量子态所对应的编码作为原始密钥信息，而将另一个量子态所对应的编码作为参数估计信息。

例如，较佳的，在本发明的具体实施例中，当所选择的三种量子态为：|0>、|1>、|+>时，可以将量子态|0>、|1>所对应的编码作为原始密钥信息，而将量子态|+>所对应的编码作为参数估计信息。

以上都是以所选择的三种量子态为：|0>、|1>、|+>为例而进行的描述。当所选择的三种量子态为其它的选择方式时，可以以此类推，因此不再赘述。

步骤22，发送装置向接收装置随机发送所述三种量子态。

在本发明的技术方案中，在选择了上述三种量子态之后，发射端即可使用上述所选择的三种量子态向接收装置发送随机信息，即发送装置向接收装置随机发送所述三种量子态。

步骤23，接收装置随机使用两组测量基中的一组测量基对所接收的量子态进行测量，得到测量结果；

例如，当所使用的两组测量基分别为直测量基和斜测量基时，接收装置可以随机使用直测量基或斜测量基对所接收的量子态进行测量，得到相应的测量结果。

步骤24，发送装置将所发送的各个量子态的测量基信息(即基矢信息)发送给接收装置；接收装置将对所接收的量子态所使用的测量基信息发送给发送装置。

例如，较佳的，在本发明的具体实施例中，当所选择的三种量子态为：|0>、|1>、|+>，且发送装置向接收装置发送的量子态分别为：|0>、|+>、|1>、|0>、|+>、|1>，则在本步骤中，发送装置发送给接收装置的测量基信息将分别为：Z基、X基、Z基、Z基、X基、Z基。

由于已经预先约定属于同一组测量基的两个量子态所对应的编码作为原始密钥信息，而将另一个量子态所对应的编码作为参数估计信息，因此，当所选择的三种量子态为：|0>、|1>、|+>时，发送装置和接收装置都会将量子态|0>、|1>所对应的编码作为原始密钥信息，而将量子态|+>所对应的编码作为参数估计信息，用来进行参数估计。

步骤25，发送装置和接收装置进行参数估计，得到误码率；如果误码率大于预设阈值则终止整个流程；否则，执行步骤26。

在本发明的技术方案中，由于发送装置和接收装置都已知应当使用哪个量子态所对应的编码作为参数估计信息，因此，发送装置和接收装置均可根据该参数估计信息进行参数估计，从而得到相应的误码率。在本发明中，可以使用常用的参数估计方法得到上述的误码率，在此不再赘述。

在得到上述误码率之后，即可判断该误码率是否大于预设阈值。如果该误码率大于预设阈值，则说明误码太多，必须放弃所得到的密钥信息，因此将终止整个流程。如果该误码率大于预设阈值，则说明误码率在可接受的范围内，从而可以进行执行下述的步骤26，以得到最终的密钥。

步骤26，发送装置和接收装置进行纠错。

在本发明的技术方案中，可以使用常用的纠错方法对所接收到的原始密钥信息进行纠错，从而得到纠错后的密钥信息，因此，具体的纠错方法在此不再赘述。

步骤27，发送装置和接收装置进行隐私放大，得到密钥。

在本发明的技术方案中，可以使用常用的隐私放大方法对纠错后的密钥信息进行隐私放大，从而得到最终的密钥，因此，具体的隐私放大方法在此不再赘述。

通过上述的步骤21～27，发送装置和接收装置之间即可传输密钥。

在本发明的技术方案中，由于发送装置只需使用三种量子态而不必使用四种量子态即可向接收装置传输密钥，完成量子密钥的分发，因此本发明只需使用较少的量子态即可在保证安全性的前提下进行安全的量子密钥分发，从而可以有效地降低设备成本，提高密钥率。

另外，根据本发明提供的上述量子密钥分发方法，本发明还提供了相应的量子密钥分发系统，具体请参见图2。

图3是本发明实施例中的量子密钥分发系统的结构示意图。如图3所示，本发明实施例中的量子密钥分发系统包括：发送装置31和接收装置32；

所述发送装置31和接收装置32通过传输信道33连接；

所述发送装置31，用于向接收装置32随机发送三种量子态；还用于将所发送的各个量子态的测量基信息发送给接收装置32；还用于根据所发送的各个量子态和接收到的测量基信息进行参数估计，得到误码率；当误码率不大于预设阈值时，进行纠错并进行隐私放大，得到密钥；

其中，所述三种量子态为从属于两组不同测量基的四种量子态中任意选择的三种量子态，并预先对所选择的三种量子态进行编码，且在所选择的三种量子态中，将属于同一组测量基的两个量子态所对应的编码作为原始密钥信息，将另一个量子态所对应的编码作为参数估计信息；

所述接收装置32，用于随机使用两组测量基中的一组测量基对所接收的量子态进行测量，得到测量结果；还用于将对所接收的量子态所使用的测量基信息发送给接收装置31，并根据测量结果和接收到的测量基信息进行参数估计，得到误码率；当误码率不大于预设阈值时，进行纠错并进行隐私放大，得到密钥。

通过上述的量子密钥分发系统，发送装置31即可使用三种量子态向接收装置32传输密钥，完成量子密钥的分发。

较佳的，在本发明的具体实施例中，所述传输信道33为光纤或自由空间。

另外，在本发明的技术方案中，可以有多种方式来实现上述的发送装置。以下将以其中的两种具体实现方式为例，对本发明的技术方案进行介绍。

具体实施例一、发送装置中只设置有一台激光器。

例如，较佳的，在本发明的具体实施例中，图4为本发明的具体实施例一中的量子密钥分发系统的结构示意图，如图4所示，所述发送装置31包括：第一控制器311、激光器312和调制器313；所述接收装置32包括：单光子探测单元321和第二控制器322；

所述第一控制器311的信号输出端与激光器312连接；所述激光器312的输出端与调制器313连接；所述调制器313的输出端通过传输信道33与单光子探测单元321连接；所述单光子探测单元321的输出端与第二控制器322连接；所述第一控制器311的同步信号端与第二控制器322的同步信号端连接；

所述第一控制器311通过发送控制信号控制激光器312输出单光子；还用于将调制器313所发送的各个量子态的测量基信息发送给第二控制器322；还用于根据调制器313所发送的各个量子态和接收到的测量基信息进行参数估计，得到误码率；当误码率不大于预设阈值时，进行纠错并进行隐私放大，得到密钥；

所述激光器312用于根据控制信号向所述调制器313输出单光子；

所述调制器313用于将接收到的单光子随机调制成预先约定的三种量子态，并将调制后的量子态通过传输信道33传输给单光子探测单元321，并同时将所发送的量子态发送给第一控制器311，以使得第一控制器311可以获知所发送的各个量子态以及各个量子态所使用的测量基；

其中，所述预先约定的三种量子态为从属于两组不同测量基的四种量子态中任意选择的三种量子态，并预先对所选择的三种量子态进行编码，且在所选择的三种量子态中，将属于同一组测量基的两个量子态所对应的编码作为原始密钥信息，将另一个量子态所对应的编码作为参数估计信息；

所述单光子探测单元321随机使用两组测量基中的一组测量基对所接收的量子态进行测量，得到测量结果，并将测量结果和对所接收的量子态所使用的测量基信息发送给第二控制器322；

所述第二控制器322，用于将对所接收的量子态所使用的测量基信息发送给第一控制器311，还用于根据测量结果和接收到的测量基信息进行参数估计，得到误码率；当误码率不大于预设阈值时，进行纠错并进行隐私放大，得到密钥。

通过上述的量子密钥分发系统，发送装置即可使用三种量子态向接收装置传输密钥，完成量子密钥的分发。

具体实施例二、发送装置中设置有三台激光器。

例如，较佳的，在本发明的具体实施例中，图5为本发明的具体实施例二中的量子密钥分发系统的结构示意图，如图5所示，所述发送装置31包括：第一控制器41、第一激光器42、第二激光器43、第三激光器44和调制器45；所述接收装置31包括：单光子探测单元321和第二控制器322；

所述第一控制器41的信号输出端分别与第一激光器42、第二激光器43和第三激光器44连接；所述第一激光器42、第二激光器43和第三激光器44的输出端均与调制器45连接；所述调制器45的输出端通过传输信道33与单光子探测单元321连接；所述单光子探测单元321的输出端与第二控制器322连接；所述第一控制器41的同步信号端与第二控制器322的同步信号端连接；

所述第一控制器41通过发送控制信号控制第一激光器42、第二激光器43或第三激光器44输出具有确定量子态的单光子；还用于将调制器45所发送的各个量子态的测量基信息发送给第二控制器322；还用于根据调制器45所发送的各个量子态和接收到的测量基信息进行参数估计，得到误码率；当误码率不大于预设阈值时，进行纠错并进行隐私放大，得到密钥；

所述第一激光器42、第二激光器43和第三激光器44分别根据控制信号向所述调制器45输出具有确定的第一量子态、第二量子态和第三量子态的单光子；其中，所述第一量子态、第二量子态和第三量子态为预先约定的三种量子态；

所述预先约定的三种量子态为从属于两组不同测量基的四种量子态中任意选择的三种量子态，并预先对所选择的三种量子态进行编码，且在所选择的三种量子态中，将属于同一组测量基的两个量子态所对应的编码作为原始密钥信息，将另一个量子态所对应的编码作为参数估计信息；

所述调制器45用于从所接收到的三种量子态中随机选择一种量子态，并将所选择的量子态通过传输信道33传输给单光子探测单元321，并同时将所发送的量子态发送给第一控制器41，以使得第一控制器41可以获知所发送的各个量子态以及各个量子态所使用的测量基；

所述单光子探测单元321随机使用两组测量基中的一组测量基对所接收的量子态进行测量，得到测量结果，并将测量结果和对所接收的量子态所使用的测量基信息发送给第二控制器322；

所述第二控制器322，用于将对所接收的量子态所使用的测量基信息发送给第一控制器41，还用于根据测量结果和接收到的测量基信息进行参数估计，得到误码率；当误码率不大于预设阈值时，进行纠错并进行隐私放大，得到密钥。

另外，较佳的，在本发明的具体实施例中，所述调制器45可以是光开关。例如，在本发明的一个具体较佳实施例中，当使用多台激光器时，则可以使用光开关作为调制器45。

例如，较佳的，在本发明的具体实施例中，所述调制器45可以是光电调制器(EOM)。例如，在本发明的一个具体较佳实施例中，当只使用一台激光器时，则可以使用EOM作为调制器45。

另外，较佳的，在本发明的具体实施例中，所述单光子探测单元321还可进一步包括：测量基选择器和单光子探测器；

所述测量基选择器设置在所述单光子探测器之前；

所述测量基选择器，用于从两组测量基中随机选取一组测量基；

所述单光子探测器，用于根据所选择的测量基对所接收的量子态进行测量，得到测量结果，并将测量结果和对所接收的量子态所使用的测量基信息发送给第二控制器322。

另外，较佳的，在本发明的具体实施例中，所述测量基选择器可以是调制器，例如，光开关或光电调制器(EOM)。该调制器可以通过动态调制光子(偏振)的方式来从两组测量基中随机选取一组测量基。

较佳的，在本发明的具体实施例中，所述测量基选择器也可以是分束器(BS)。该分束器的两个出口可以分别接一个光学组件(如偏振片)后再接一个单光子探测器。因此，该分束器可以使用被动的方式来从两组测量基中随机选取一组测量基。

通过上述的量子密钥分发系统，发送装置即可使用三种量子态向接收装置传输密钥，完成量子密钥的分发。

综上所述，在本发明的技术方案中，由于发送装置只需使用三种量子态而不必使用四种量子态即可向接收装置传输密钥，完成量子密钥的分发，因此，与现有技术相比，本发明的技术方案只需使用较少的量子态即可在保证安全性的前提下进行安全的量子密钥分发，从而可以有效地降低设备成本，提高密钥率。

另外，在本发明的技术方案中，发送装置可以使用一台激光器，也可以使用三台激光器，可以根据实际应用场景的需要自行选择。另外，本发明的技术方案可以使用偏振编码、相位编码等量子态的多种物理实现方式来实现，具体不再赘述。

此外，本发明的技术方案可以直接用于基于单光子源的密钥分发系统，也可以结合诱骗态技术针对基于弱相干光源的系统使用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。