一种适用于CV-QKD系统的安全码率两级优化装置及方法与流程

一种适用于cv-qkd系统的安全码率两级优化装置及方法
技术领域
1.本发明涉及安全码率优化技术领域，尤其涉及到一种适用于cv-qkd系统的安全码率两级优化装置及方法。


背景技术：

2.量子密钥分发(quantum key distribution，qkd)能够提供无条件安全的异地在线密钥分发手段，其安全性由量子物理的基本原理保证。基于量子不可克隆定理和测不准关系，对量子密钥分发系统传输的量子态进行窃听会对其产生不可避免的扰动，能被合法通信双方检测出来，从而保证了量子密钥的安全性。量子密钥分发主要包括离散变量量子密钥分发(discrete variable quantum key distribution，dv-qkd)和连续变量量子密钥分发(continuous variable quantum key distribution，cv-qkd)两大类。当前的cv-qkd系统可采用成熟的经典相干光通信器件，中短距离安全码率高，与经典光通信网络兼容性好，近几年受到广泛关注。
3.cv-qkd系统的工作流程包括量子信号传输过程和密钥后处理过程。量子态传输过程使得通信双方获得具有关联性但不完全相同的原始数据，数据后处理过程基于原始数据，通过基比对(可选)、参数估计、数据协商、纠错译码和私钥放大等步骤使通信双方获得一致的安全密钥。
4.根据专利zl202011215010.9提出的调制方差安全码率全局优化方案可知，短时间内，信道参数变化缓慢，cv-qkd系统安全码率优化可认为是纠错矩阵和调制方差的联合优化，可有效提升安全码率。在实际系统应用中，调制方差的快速准确调节难度较大：一方面，由于cv-qkd系统硬件系统调节精度有限，因此量子光信号的调制方差调节精度也有限，不能百分之百准确实现；另一方面，当前调制方差是基于上一轮系统状态进行设置的，随着信道参数的变化，依据上一轮系统状态调节后的调制方差已不是当前系统状态最优调制方差。因此，本发明提出了一种以调制方差优化为粗优化、以码率自适应方案作为细优化的两级优化方案，以解决系统调制方差不匹配而导致的安全码率损失问题。


技术实现要素：

5.本发明的主要目的在于提供一种适用于cv-qkd系统的安全码率两级优化装置及方法，旨在解决目前系统调制方差不匹配而导致的安全码率损失问题的技术问题。
6.为实现上述目的，本发明提供一种适用于cv-qkd系统的安全码率两级优化装置，包括量子信号传输模块、两级优化模块和密钥后处理模块；其中：
7.量子信号传输模块包括量子态制备模块和量子态探测模块；所述量子态制备模块用于制备量子态，并获得发送端原始密钥x，所述量子态探测模块用于探测量子态，并获得接收端原始密钥y；
8.密钥后处理模块包括参数估计模块a、参数估计模块b、自适应译码数据构造模块a和自适应译码数据构造模块b；所述参数估计模块a和参数估计模块b分别对原始密钥x和原
始密钥y进行参数估计，以确定状态参数，所述自适应译码数据构造模块a和自适应译码数据构造模块b根据两级优化模块输入的自适应译码参数和状态参数，分别对原始密钥x和原始密钥y进行自适应译码数据构造；
9.两级优化模块包括调制方差优化及纠错矩阵选择模块和自适应译码参数优化模块；所述调制方差优化及纠错矩阵选择模块接收状态参数，根据安全码率公式，确定最优调制方差和纠错矩阵，并将所述最优调制方差发送至量子信号传输模块，将所述纠错矩阵发送至自适应译码参数优化模块，所述自适应译码参数优化模块将优化的自适应译码参数发送至密钥后处理模块。
10.可选的，所述两级优化模块中，安全码率公式的表达式为：
11.k＝(1-fer)(βi
ab-χ
be
)＝(1-fer)(r-χ
be
)＝(1-f
fer
(va))(r-f
χbe
(va))
12.其中，k为安全码率，fer为自适应译码对应的误帧率，i
ab
为发送端alice和接收端bob的经典互信息，χ
be
为接收端bob和窃听者eve的量子互信息，va为调制方差，r为纠错矩阵的码率。
13.可选的，所述状态参数包括电噪声v
el
，过噪声ε，探测效率η，信道透射率t、信噪比snr和调制方差va。
14.可选的，所述自适应译码参数包括自适应码率r
standard
、自适应信噪比snr
standard
和自适应协调效率β
standard
，关系式为：
[0015][0016]
可选的，所述密钥后处理模块还包括基对比模块和基选择模块；所述基对比模块连接量子态制备模块，用于获得量子态制备模块的原始数据x，所述基选择模块连接量子态探测模块，用于分别获得量子态探测模块的原始数据y。
[0017]
可选的，所述自适应译码数据构造采用删余和/或缩短构造方式；所述删余和/或缩短中插入的数据长度和码率的关系式为：
[0018][0019]
其中，r表示删余缩短后的码率，n表示码长，m表示校验位长，p表示删余位长度，s表示缩短位长度，码长损失为p+s，snr表示原始数据实际参数估计得到的信噪比。
[0020]
可选的，所述密钥后处理模块还包括数据协商模块a、数据协商模块b、自适应译码模块、校验子生成模块、私钥放大模块a和私钥放大模块b；其中：
[0021]
所述数据协商模块b连接自适应译码数据构造模块b，获取构造的自适应译码数据执行数据协商，将协商后的结果发送至校验子生成模块，通过校验子生成模块生成校验子spc，并通过私钥放大模块b执行私钥放大生成最终密钥；
[0022]
所述数据协商模块a连接自适应译码数据构造模块a，获取构造的自适应译码数据执行数据协商，将协商后的结果发送至自适应译码模块，通过自适应译码模块执行自适应译码，并获得安全码率，由私钥放大模块a执行私钥放大生成最终密钥。
[0023]
可选的，所述密钥后处理模块中，安全码率的关系式为：
[0024]
[0025]
其中，k为安全码率，fer为自适应译码对应的误帧率，i
ab
为发送端alice和接收端bob的经典互信息，χ
be
为接收端bob和窃听者eve的量子互信息。
[0026]
此外，为了实现上述目的，本技术还提供一种适用于cv-qkd系统的安全码率两级优化方法，用于如上所述的适用于cv-qkd系统的安全码率两级优化装置，所述方法包括以下步骤：
[0027]
s1：密钥后处理模块确定cv-qkd系统的状态参数；
[0028]
s2：两级优化模块根据安全码率公式，获得最优调制方差和纠错矩阵；将最优调制方差反馈至量子信号传输模块，并调节调制方差至最优值；对纠错矩阵进行自适应纠错译码，确定自适应译码参数，并配置进cv-qkd系统；
[0029]
s3：密钥后处理模块根据自适应译码参数实现秘钥后处理。
[0030]
本发明实施例提出的一种适用于cv-qkd系统的安全码率两级优化装置及方法，该装置以调制方差优化为粗优化，以码率自适应方案作为细优化，根据实际信道特征优化得到调制方差和纠错矩阵，再根据优选的纠错矩阵灵活调整自适应译码参数。通过粗优化保证了系统可以工作在最优点附近，结合码率自适应细优化，保障实际系统探测得到的量子信号信噪比在一定范围内波动(典型波动范围为
±
5％或
±
10％)的情况下，采用某一固定码率的纠错矩阵进行数据后处理时可保持较高的协调效率，实现高效纠错，相对于已知公开方案可进一步提高cv-qkd系统的安全码率和环境适应性。
附图说明
[0031]
图1为本发明适用于cv-qkd系统的安全码率两级优化装置的结构示意图。
[0032]
图2为本发明适用于cv-qkd系统的安全码率两级优化方法的流程示意图。
[0033]
图3为本发明适用于cv-qkd系统的安全码率两级优化的测试结果示意图。
[0034]
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
[0035]
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0036]
目前，在相关技术领域，现有的cv-qkd系统调制方差不匹配而导致的安全码率损失问题。
[0037]
为了解决这一问题，提出本发明的适用于cv-qkd系统的安全码率两级优化装置的各个实施例。本发明提供的适用于cv-qkd系统的安全码率两级优化装置以调制方差优化为粗优化，以码率自适应方案作为细优化，根据实际信道特征优化得到调制方差和纠错矩阵，再根据优选的纠错矩阵灵活调整自适应译码参数。通过粗优化保证了系统可以工作在最优点附近，结合码率自适应细优化，保障实际系统探测得到的量子信号信噪比在一定范围内波动(典型波动范围为
±
5％或
±
10％)的情况下，采用某一固定码率的纠错矩阵进行数据后处理时可保持较高的协调效率，实现高效纠错，相对于已知公开方案可进一步提高cv-qkd系统的安全码率和环境适应性。
[0038]
本发明实施例提供了一种适用于cv-qkd系统的安全码率两级优化装置，参照图1，图1为本发明适用于cv-qkd系统的安全码率两级优化装置实施例的结构示意图。
[0039]
本实施例中，所述适用于cv-qkd系统的安全码率两级优化装置包括量子信号传输
模块、两级优化模块和密钥后处理模块。
[0040]
(1)量子信号传输模块
[0041]
发送端通过量子态制备模块实现量子态制备，并获得发送端原始密钥x，同时发送端将量子态通过信道传输至接收端；接收端通过量子态探测模块探测量子态，并获得接收端原始密钥y；探测端系统参数(电噪声vel，探测效率η)可在量子密钥分发过程之前预先标定测量。
[0042]
(2)两级优化模块
[0043]
首先，接收密钥后处理模块中参数估计模块a得到的系统参数，如：电噪声v
el
，过噪声ε，探测效率η，信道透射率t、信噪比snr、调制方差va等。
[0044]
然后，参考专利zl 202011215010.9提出的优化方案，安全码率计算公式具体为：
[0045]
k＝(1-fer)(βi
ab-χ
be
)＝(1-fer)(r-χ
be
)＝(1-f
fer
(va))(r-f
χbe
(va))
[0046]
其中k为安全码率，fer为自适应译码对应的误帧率，i
ab
为发送端alice和接收端bob的经典互信息，χ
be
为接收端bob和窃听者eve的量子互信息。va为调制方差，r为纠错矩阵的码率。
[0047]
在此之后，通过调制方差优化及纠错矩阵选择模块获取最优调制方差和最适合当前系统状态的纠错矩阵，将最优调制方差反馈给量子态制备模块，并调节调制方差为最优，同时，将优选的纠错矩阵发送给自适应译码参数优化模块。
[0048]
最后，自适应译码参数优化模块将优化参数发送给密钥后处理模块的自适应译码数据构造模块a。
[0049]
(3)密钥后处理模块
[0050]
通过接收端的基选择模块和发送端的基比对模块(若为外差探测方案，则没有基选择模块和基比对模块，直接得到发送端和接收端的原始数据x和y)，得到发送端原始数据x和接收端原始数据y。接收端将原始数据y分为两部分，一部分y0发送给参数估计模块b，一部分y发送给自适应译码数据构造模块b，发送端将原始数据x以和接收端相同方式分为两部分，一部分x0发送给参数估计模块a(与y0元素位置一一对应)，一部分x发送给自适应译码数据构造模块a。
[0051]
自适应译码数据构造模块a和b根据参数估计及两级优化模块得到的自适应译码参数对原始密钥x和y进行数据构造，构造方法依据码率自适应技术。
[0052]
码率自适应技术采用删余(p)或缩短(s)方法，删余方法通过删除码字中的校验节点插入完全不相关的码字进行构造；缩短方法通过变量节点插入已知码字进行构造。删余缩短方法都需要删除一部分码字，构造出一个新的纠错译码序列，其构造规律需双方事先约定好，可采取均匀、随机、末位插入等方式进行插入，插入时用到的随机数可采用本地随机数文件，定时更新，以减小数据交互。通过码率自适应技术，使原始密钥x和y重新构造后的信噪比和码率自适应的信噪比snr
standard
参数一致。
[0053]
数据构造完成后，接收端将构造后的数据y’发送给数据协商模块b，执行数据协商，协商后的结果通过校验子生成模块生成校验子spc发送给发送端，通过私钥放大模块b执行私钥放大生成最终密钥。
[0054]
发送端将自适应译码数据构造模块a得到的数据x’发送给数据协商模块a，数据协商模块a执行数据协商，并通过自适应译码模块执行自适应译码，自适应译码后得到纠错后
的原始密钥和纠错成功率即可计算得到安全码率发送给私钥放大模块a，安全码率计算公式具体为：
[0055][0056]
其中k为安全码率，fer为自适应译码对应的误帧率，i
ab
为发送端alice和接收端bob的经典互信息，χ
be
为接收端bob和窃听者eve的量子互信息。
[0057]
同时，自适应译码模块将自适应译码数据构造模块a中插入的无关数据剔除，发送给私钥放大模块a，执行私钥放大步骤，得到和接收端一致的最终密钥。
[0058]
在此基础上，本实施例还提供一种适用于cv-qkd系统的安全码率两级优化的方法，如图2所示，该方法具体实现步骤如下：
[0059]
步骤一：确定cv-qkd系统状态参数：电噪声v
el
，探测效率η，上述状态参数可通过cv-qkd系统探测得到，其余参数(过噪声ε，信道透过率t，调制方差va等)可通过参数估计步骤获取。
[0060]
步骤二：第一级优化，进行粗优化。在无限码长条件下，根据安全码率公式:
[0061]
k＝(1-fer)(βi
ab-χ
be
)＝(1-fer)(r-χ
be
)＝(1-f
fer
(va))(r-f
χbe
(va))
[0062]
其中k为安全码率，fer为自适应译码对应的误帧率，i
ab
为发送端alice和接收端bob的经典互信息，χ
be
为接收端bob和窃听者eve的量子互信息。va为调制方差，r为纠错矩阵的码率。优化选择cv-qkd协议调制方差，并在已有的纠错矩阵族中选取最优纠错矩阵，具体方法可参考专利zl202011215010.9提出的优化方案，确定最优调制方差和纠错矩阵后，将调制方差反馈给光电系统，并调节调制方差至最优值附近，将纠错矩阵传递给步骤三，进行第二级优化。
[0063]
步骤三：第二级优化，进行细优化。根据第二步中获得的最优纠错矩阵进行自适应纠错译码，确定当前最优自适应纠错译码参数。
[0064]
自适应数据构造可采用删余(p)或者缩短(s)技术中的一种，也可组合选择。
[0065]
自适应译码主要参数包括：自适应码率r
standard
、自适应信噪比snr
standard
和自适应协调效率β
standard
，其关系式如下：
[0066][0067]
删余缩短方案插入的数据长度和码率的关系如下：
[0068][0069]
其中r表示删余缩短后的码率，n表示码长，m表示校验位长，p表示删余位长度，s表示缩短位长度，码长损失为p+s，snr表示原始数据实际参数估计得到的信噪比。
[0070]
渐进条件下，cv-qkd系统在码率自适应方案下安全码率计算公式为：
[0071][0072]
其中k为安全码率，fer为自适应译码对应的误帧率，i
ab
为发送端alice和接收端bob的经典互信息，χbe为接收端bob和窃听者eve的量子互信息。
[0073]
步骤四：将最优自适应纠错译码参数配置进cv-qkd系统后处理流程中，即可实现
系统优化。
[0074]
该方法适用于零差或外差探测cv-qkd系统方案，同时也适用于有限码长条件。
[0075]
本实施例提供一种适用于cv-qkd系统的安全码率两级优化装置及方法，以调制方差优化为粗优化，以码率自适应方案作为细优化，根据实际信道特征优化得到调制方差和纠错矩阵，再根据优选的纠错矩阵灵活调整自适应译码参数。通过粗优化保证了系统可以工作在最优点附近，结合码率自适应细优化，保障实际系统探测得到的量子信号信噪比在一定范围内波动(典型波动范围为
±
5％或
±
10％)的情况下，采用某一固定码率的纠错矩阵进行数据后处理时可保持较高的协调效率，实现高效纠错，相对于已知公开方案可进一步提高cv-qkd系统的安全码率和环境适应性。
[0076]
为了更清楚的解释本技术，提出一种适用于cv-qkd系统的安全码率两级优化方案的具体实例。
[0077]
在本实例中，cv-qkd参数为l＝50km、η＝0.606、vel＝0.041、ε＝0.005、迭代次数60时，优选码率r
standard
＝0.1的纠错矩阵进行纠错译码，设r＝0.1，根据安全码率公式：
[0078]
k＝(1-fer)(r-χ
be
)
[0079]
优化得到的最优调制方差vaopt＝2.7718，对应的最优信噪比snropt＝0.1613。
[0080]
基于上述参数，测量得到snropt＝0.1613下最优snr
standard
(r
standard
确定，可直接确定β
standard
)，选择snropt附近的信噪比，如：snr＝0.15～0.185，作为进行码率自适应纠错的snr，同时，设置snr
standard
＝0.158～0.170，即可得到不同snr
standard
下的安全码率，码率自适应条件下安全码率计算公式为：
[0081][0082]
如图3中的(a)所示，图中曲线为第一级优化得到的安全码率曲线，曲线上的圆点表示优化得到的最优安全码率k1＝0.0191bits/pulse(vaopt＝2.7718，snropt＝0.1613)。点折线为遍历snr
standard
＝0.158～0.170后，各个snr下得到的最优安全码率，对应snropt＝0.1613时，第二级优化得到的最优安全码率为k2＝0.0225bits/pulse，较第一级优化提升17.8％。同时，从点折线可知，在snropt＝0.1613信噪比附近，安全码率也可以稳定保持在k2＝0.0225bits/pulse附近。
[0083]
如图3中的(b)表示，不同snr下使得安全码率最大化的最优snr
standard
，该曲线为不同信噪比条件下码率自适应参数的选择提供了依据。
[0084]
测试结果表明本专利提出的方案不仅使调制方差在最优点附近工作也可保持安全码率稳定，同时又提高了系统协调效率，进一步提升了安全码率。
[0085]
以上仅为发明的优选实施例，并非因此限制发明的专利范围，凡是利用发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在发明的专利保护范围内。