双扫描4强度MDI-QKD系统的密钥率获取方法及系统与流程

双扫描4强度mdi-qkd系统的密钥率获取方法及系统
技术领域
1.本发明涉及量子保密通信技术领域，特别涉及一种双扫描4强度mdi-qkd系统的密钥率获取方法及系统。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
3.测量设备无关量子密钥分发(mdi-qkd)系统可以防御任何探测端的侧信道攻击，且容易结合使用诱骗态方法，具有广阔的发展前景。但在实际应用中，诱骗态mdi-qkd系统由于受到有限码长效应的影响，密钥率随距离的增加下降很快。
4.近些年来，许多研究致力于提高系统的密钥率和成码距离，并且取得了可观的成绩。为了提高系统的密钥率，许多的改进方案被提出，如全局最优化方法、联合约束方法、4强度诱骗态方法、双扫描4强度诱骗态方法等。而目前评价这些改进方法的效果，主要是通过在一定的qkd设备条件下，从理论上分别计算使用改进方法和其它方法时的qkd在整个通信距离上最优化的密钥率大小及分布，然后对比并判断改进方法的优劣。在上述改进方法中，4强度诱骗态方法因可以提升几个数量级的密钥率而成为主流方法，使用双扫描4强度诱骗态后，密钥率可以进一步的提高。对于双扫描4强度mdi-qkd系统，架构如图1所示，由alice、bob和charlie三部分组成，其中alice和bob作为量子态制备的发送方，具有完全一致的结构，同时向第三方charlie发射脉冲。charlie作为测量方，对收到的脉冲对进行贝尔态测量，charlie也可以是不可信的窃听者(eve)。
5.发明人发现，在qkd系统中，涉及到密钥率计算的场景主要有两个：场景一是在qkd系统工作过程中，需要计算密钥率，为后处理中的一些参数设置提供依据。场景二是需要对qkd系统进行参数优化，如qkd系统工作环境发生变化或者与其他协议方法进行比较时，需要在一定的qkd设备条件下，反复的对密钥率进行模拟计算，直到得到最优的系统参数点。对于双扫描方法来说，需要分别在区间和上分步进行扫描并计算将扫描计算出的最小值作为最终密钥率，这种计算方式显然比传统的计算方式更加复杂。假设在区间上需要扫描h个点，在区间上需要扫描m个点，则总共需要扫描并计算h
×
m个点才能得到最终的密钥率r。对于场景二，一般情况下，现有的计算要求h和m≥100，则至少需要扫描并计算10000次才能得到一组系统参数下的最终密钥率r；其次还需要反复的迭代，直至找到最优的系统参数，一般情况下迭代次数≥5000次；最后我们还需要计算每个通信距离下的最优化系统参数下的最终密钥率r，假设通信距离范围0-200km，1km一个采集点，则需要200次。整个过程总共至少需要计算100
×
100
×
5000
×
200＝10
10
次，这对于常用的计算机来说，计算量无疑是比较巨大的，计算时间大概在30个小时左右，这显然严重影响了密钥率的计算效率。


技术实现要素：

6.为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种双扫描4强度mdi-qkd系统的密钥率获取方法及系统，将参数(即第一扫描参数)和(即第二扫描参数)整合成一个参数，只需扫描这一个参数即可实现密钥率的计算，极大的减少了计算量，提高了计算效率。
7.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
8.本发明第一方面提供了一种双扫描4强度mdi-qkd系统的密钥率获取方法。
9.一种双扫描4强度mdi-qkd系统的密钥率获取方法，包括以下过程：
10.根据第一扫描参数和第二扫描参数得到第三扫描参数的表达式；
11.根据第三扫描参数的表达式以及第一扫描参数的上限和第二扫描参数的下限确定第三扫描参数的上限，根据第三扫描参数的表达式以及第一扫描参数的下限和第二扫描参数的上限确定第三扫描参数的下限；
12.根据第三扫描参数的下限和第三扫描参数的上限确定扫描范围；
13.根据扫描范围内的第三扫描参数计算密钥率，以所有密钥率的最小值为最终密钥率。
14.进一步的，第三扫描参数的上限为：第一扫描参数的上限与0.5倍的第二扫描参数的下限的差值；
15.第三扫描参数的下限为：第一扫描参数的下限与0.5倍的第二扫描参数的上限的差值。
16.更进一步的，扫描范围的下限等于或小于第三扫描参数的下限，扫描范围的上限等于或大于第三扫描参数的上限。
17.进一步的，第一扫描参数的上限和下限以及第二扫描参数的上限和下限均通过联合约束方法和切尔诺夫界得到。
18.进一步的，根据第三扫描参数，得到相位翻转误码率的期望值上限和单光子计数率的期望值下限，根据相位翻转误码率的期望值上限和单光子计数率的期望值下限计算密钥率。
19.进一步的，对扫描范围内的某个第三扫描参数，在第三扫描参数确定且第二扫描参数为最大值时，得到此第三扫描参数下的最小密钥率。
20.更进一步的，相位翻转误码率的期望值上限为第三扫描参数的函数，单光子计数率的期望值的下限为第三扫描参数和第二扫描参数的函数；
21.第三扫描参数确定时，根据线性方程规划方法得到第二扫描参数的最大值与第三扫描参数的函数关系。
22.本发明第二方面提供了一种双扫描4强度mdi-qkd系统的密钥率获取系统。
23.一种双扫描4强度mdi-qkd系统的密钥率获取系统，包括：
24.参数转换模块，被配置为：根据第一扫描参数和第二扫描参数得到第三扫描参数的表达式；
25.上下限确定模块，被配置为：根据第三扫描参数的表达式以及第一扫描参数的上限和第二扫描参数的下限确定第三扫描参数的上限，根据第三扫描参数的表达式以及第一扫描参数的下限和第二扫描参数的上限确定第三扫描参数的下限；；
26.扫描范围确定模块，被配置为：根据第三扫描参数的下限和第三扫描参数的上限
确定扫描范围；
27.密钥率计算模块，被配置为：根据扫描范围内的第三扫描参数计算密钥率，以所有密钥率的最小值为最终密钥率。
28.本发明第三方面提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本发明第一方面所述的双扫描4强度mdi-qkd系统的密钥率获取方法中的步骤。
29.本发明第四方面提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本发明第一方面所述的双扫描4强度mdi-qkd系统的密钥率获取方法中的步骤。
30.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
31.本发明所述的双扫描4强度mdi-qkd系统的密钥率获取方法及系统，将扫描的两个参数和整合成一个参数，只需扫描这一个参数，在计算精度不变的前提下，极大的减少了计算量；对于场景一，可以将密钥率计算速率提升100倍以上；对于场景二，时间可由原来的30个小时缩短到十几分钟，极大的提高了研究人员的科研效率。
附图说明
32.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
33.图1为本发明背景技术中提供的双扫描4强度mdi-qkd系统结构图。
34.图2为本发明实施例1提供的双扫描4强度mdi-qkd系统工作流程图。
35.图3为本发明实施例1提供的双扫描4强度mdi-qkd系统的密钥率获取方法的流程示意图。
具体实施方式
36.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
37.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
38.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
39.在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
40.实施例1：
41.对于双扫描4强度mdi-qkd系统，工作流程如图2所示，具体如下：
42.s1：alice和bob分别调制并发送n个光脉冲，两端的光脉冲分别以概率和(其中la，l＝o,x,y,z表示alice选择的量子态，rb，r＝o,x,y,z表示bob选择的量子态)被随机地调制成4种不同的量子态：分别为alice端真空态oa(bob端ob)、x基矢下的第一诱骗态xa(bob端xb)和第二诱骗态ya(bob端yb)以及z基矢下的信号态za(bob端zb)，对应的四种强度分
别为alice端的别为alice端的和(bob端的(bob端的和)。
43.s2：charlie对alice和bob发送的量子态进行贝尔态测量，测量n次完成后，对alice和bob公布测量结果。
44.s3：alice和bob保留有效响应的测量结果下的数据，丢弃其它数据。
45.s4：alice和bob对该数据进行基矢比对，保留双方都选取z基矢时对应的数据，得到一串比特，用于生成原始密钥，其余数据用于诱骗态估计。
46.s5：alice和bob对该比特串进行后处理，包括单光子计数率估计、相位翻转误码率估计、纠错、双扫描和保密放大等过程，得到最终密钥。
47.密钥率可表示为：
[0048][0049]
该公式的含义是采用双扫描方法，在区间和上进行扫描将的最小值作为最终密钥率，其中，表示(即第一扫描参数)和(即第二扫描参数)下的密钥率，可表示为：
[0050][0051]
其中，和表示alice和bob分别发送la和rb量子态时光子数为n的概率；e
zz
＝t
zz
/s
zz
，表示alice和bob都发送zz态下的有效探测事件的比特翻转误码率；h(x)＝-xlog2(x)-(1-x)log2(1-x)表示香农熵；f为纠错效率；ε
cor
表示纠错的失效概率；ε
pa
保密放大的失效概率；ε
′
和为分别使用平滑最小熵链式规则和最大熵链式规则时候的系数；和分别为zz态下的单光子计数率下限和对应的相位翻转误码率上限，根据切尔诺夫界，可分别表示为：
[0052][0053][0054]
其中，o
l
(y)＝[1+δ
′1(y)]y和ou(y)＝[1-δ
′2(y)]y分别为根据期望值y而得到的实际观测值下限和上限；n
zz
为alice和bob发送zz态时的有效探测事件个数；为单光子计数率的期望值下限，为z基矢下的单光子的相位翻转误码率上限，数值上等于x基矢下的单光子的比特翻转误码率上限《e
11
》u，即其中其中其中其中计数率相应的期望值错误比特计数率相应的期望值n
lr
代表alice和bob使用lr态时的有效计数，m
lr
代表相应态的错误计数；下限和上限值《s
+
》
l
和《s
_
》u、和和可通过联合约束方法和切尔诺夫界得到。
[0055]
由上所述，同时扫描两个参数的计算量是巨大的，但我们发现可以将参数和整合成一个参数，而只需扫描这一个参数，就可以达到同样的计算结果，这样显然将大大减少了计算量。
[0056]
具体的，如图3所示，本实施例提供了一种双扫描4强度mdi-qkd系统的密钥率获取方法，包括以下过程：
[0057]
根据第一扫描参数和第二扫描参数得到第三扫描参数的表达式；
[0058]
根据第三扫描参数的表达式以及第一扫描参数的上限和第二扫描参数的下限确定第三扫描参数的上限，根据第三扫描参数的表达式以及第一扫描参数的下限和第二扫描参数的上限确定第三扫描参数的下限；
[0059]
根据第三扫描参数的下限和第三扫描参数的上限确定扫描范围；
[0060]
根据扫描范围内的第三扫描参数计算密钥率，以所有密钥率的最小值为最终密钥率。
[0061]
上述密钥率获取方法的详细过程如下：
[0062]
令参数则t
11
(即第三扫描参数)是和的双变量线性函数，一个重要的步骤是合理的确定t
11
的上下限值，其中一个典型的方法是使用如下的公式进行确定，下限和上限分别为：
[0063][0064][0065]
可以理解的，扫描范围可以是[t
l
，tu]，即扫描范围的下限为t
l
，扫描范围的上限为tu，在其他一些实施方式中，扫描范围的下限可以小于t
l
，扫描范围的上限可以大于tu，本领域技术人员可以根据具体工况进行自定义的选择，这里不再赘述。
[0066]
则单光子计数率的期望值的下限《s
11
》
l
和相位翻转误码率的期望值的上限可分别改写为：
[0067]
[0068][0069]
可见是t
11
和的函数，而对于每一个确定的t
11
值，可以有一系列的线性集合在该线性集合中，从上述单光子计数率的期望值下限《s
11
》
l
和相位翻转误码率的期望值上限公式中可以看出，当取最大值h(t
11
)时，单光子计数率的期望值下限《s
11
》
l
是最小的，进而是最小的。
[0070]
因此，可以在每一个确定的t
11
值中，直接解析计算得到相应的的最小值r(t
11
)，然后再扫描t
11
并计算密钥率r(t
11
)，将其最小值作为最终的密钥率。
[0071]
关键一步就是最大值h(t
11
)的取值问题，由于t
11
是和的双变量线性函数，对于每一个确定的t
11
值，通过线性方程规划方法可以得到h(t
11
)的具体形式，如下式：
[0072][0073]
可见h(t
11
)是t
11
的函数，则单光子计数率的期望值下限《s
11
》
l
可写为：
[0074][0075]
显然，可以就在区间[t
l
,tu]上进行扫描并计算密钥率r(t
11
)，得到最小的密钥率作为最终的密钥率，即：
[0076][0077]
由此可见，通过参数的相关性修改，本实施例将扫描两个参数变成了只用扫描一个参数，这将大大降低密钥率的计算时间。
[0078]
采用此优化方法，可以将密钥率计算速率提升100倍以上，对于场景二的密钥率计算时间可由原来的30个小时缩短到十几分钟，极大的提高了研究人员的科研效率。
[0079]
实施例2：
[0080]
本发明实施例2提供了一种双扫描4强度mdi-qkd系统的密钥率获取系统，包括：
[0081]
参数转换模块，被配置为：根据第一扫描参数和第二扫描参数得到第三扫描参数的表达式；
[0082]
上下限确定模块，被配置为：根据第三扫描参数的表达式以及第一扫描参数的上限和第二扫描参数的下限确定第三扫描参数的上限，根据第三扫描参数的表达式以及第一扫描参数的下限和第二扫描参数的上限确定第三扫描参数的下限；
[0083]
扫描范围确定模块，被配置为：根据第三扫描参数的下限和第三扫描参数的上限确定扫描范围；
[0084]
密钥率计算模块，被配置为：根据扫描范围内的第三扫描参数计算密钥率，以所有密钥率的最小值为最终密钥率。
[0085]
所述系统的工作方法与实施例1提供的扫描4强度mdi-qkd系统的密钥率获取方法相同，这里不再赘述。
[0086]
实施例3：
[0087]
本发明实施例3提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本发明实施例1所述的双扫描4强度mdi-qkd系统的密钥率获取方法中的步骤。
[0088]
实施例4：
[0089]
本发明实施例4提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本发明实施例1所述的双扫描4强度mdi-qkd系统的密钥率获取方法中的步骤。
[0090]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0091]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0092]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0093]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0094]
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-only memory，rom)或随机存储记忆体(random access memory，ram)等。
[0095]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。