本發(fā)明涉及量子通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及量子密鑰分發(fā)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種多方量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)及其糾錯(cuò)方法。

背景技術(shù)：

量子通信的安全性依賴于量子密鑰分發(fā)，量子密鑰分發(fā)以量子物理與信息學(xué)為基礎(chǔ)，被認(rèn)為是安全性最高的加密方式，其需要一條用來傳輸量子態(tài)的量子信道，以及一條用來進(jìn)行經(jīng)典交互的可認(rèn)證的(無錯(cuò)的)經(jīng)典信道。

在多方量子通信中，假設(shè)A向n個(gè)接收端發(fā)送相同的數(shù)據(jù)，如果使用不同的密鑰，則A要準(zhǔn)備n串密鑰分別發(fā)送給接收端，接收端分別進(jìn)行糾錯(cuò)，A要分別使用這n串密鑰對(duì)待發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。使用現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行如上通信要加密n次，A需要保存n串密鑰，因此運(yùn)算量大，存儲(chǔ)密鑰占用空間大；如果使用相同密鑰，A只需要保存一串密鑰，只需加密一次，因此運(yùn)算量小，存儲(chǔ)密鑰占用空間小。

量子通信的糾錯(cuò)算法一般為LDPC(low density parity check codes)編碼，LDPC編碼包含信息碼和校驗(yàn)碼，在量子通信中，信息碼就是密鑰，校驗(yàn)碼由校驗(yàn)矩陣和密鑰相乘所得(校驗(yàn)矩陣由PEG算法根據(jù)度分布計(jì)算得出)，信息碼通過量子信道傳輸，校驗(yàn)碼通過經(jīng)典信道傳輸。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足，提出一種多方量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)及其糾錯(cuò)方法，其能夠解決在糾錯(cuò)過程中運(yùn)算量大，存儲(chǔ)密鑰占用空間大的問題。

一方面，本發(fā)明提供了一種用于多方量子密鑰分發(fā)的糾錯(cuò)方法，應(yīng)用于包括發(fā)送端和至少兩個(gè)接收端的多方量子密鑰分發(fā)平臺(tái)，包括以下步驟：

S1：計(jì)算系統(tǒng)誤碼率；

S2：根據(jù)系統(tǒng)誤碼率確定校驗(yàn)矩陣；

S3：根據(jù)校驗(yàn)矩陣得到原始密鑰的校驗(yàn)碼及共享密鑰的校驗(yàn)碼；

S4：利用原始密鑰的校驗(yàn)碼對(duì)接收端的共享密鑰向發(fā)送端的原始密鑰進(jìn)行糾錯(cuò)；

S5：判斷糾錯(cuò)是否成功，并將糾錯(cuò)結(jié)果發(fā)送到發(fā)送端；

S6：若糾錯(cuò)成功，則停止運(yùn)算；若糾錯(cuò)不成功，則進(jìn)行碼率調(diào)整得到新的原始密鑰和共享密鑰，并以碼率調(diào)整后的原始密鑰和共享密鑰返回執(zhí)行步驟S3～S6，直至糾錯(cuò)成功或達(dá)到預(yù)設(shè)的最大的糾錯(cuò)次數(shù)；

首次進(jìn)行碼率調(diào)整時(shí)需要計(jì)算puncturing、shortening的位數(shù)及其位置信息；

且相鄰兩次碼率調(diào)整過程中puncturing和shortening操作的位置進(jìn)行如下調(diào)整：將上一次puncturing的位置信息中選取部分作為shortening的位置信息作為新的puncturing和shortening的位置信息以用于進(jìn)行下一次碼率調(diào)整。

進(jìn)一步的，步驟S1中計(jì)算系統(tǒng)誤碼率時(shí)，首先分別計(jì)算各個(gè)接收端相對(duì)于發(fā)送端的誤碼率，然后選擇其中最大的誤碼率得到系統(tǒng)誤碼率。

進(jìn)一步的，誤碼率的計(jì)算方法為：各個(gè)接收端將預(yù)定好的部分共享密鑰分別發(fā)送給發(fā)送端，發(fā)送端將各個(gè)部分共享密鑰與各個(gè)原始密鑰中相應(yīng)位置上的值分別進(jìn)行比對(duì)，以結(jié)果不同的位置總數(shù)和占參與對(duì)比的總位置數(shù)的比值作為誤碼率。

進(jìn)一步的，所述步驟S5中判斷糾錯(cuò)是否成功的方法為：通過判斷糾錯(cuò)后的原始密鑰的校驗(yàn)碼，與共享密鑰的校驗(yàn)碼是否相同，若相同，則糾錯(cuò)成功，若不相同，則糾錯(cuò)不成功。

另一方面，本發(fā)明還提供了一種多方量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)，應(yīng)用于包括發(fā)送端和至少兩個(gè)接收端的多方量子密鑰分發(fā)平臺(tái)，包括

發(fā)送單元，用于將原始密鑰分別發(fā)送給接收端；

接收單元，用于在接收端接收來自發(fā)送端的原始密鑰，并以接收結(jié)果作為相應(yīng)的共享密鑰。

糾錯(cuò)單元，用于對(duì)發(fā)送端的原始密鑰和各個(gè)接收端的共享密鑰進(jìn)行糾錯(cuò)使發(fā)送端的原始密鑰和各個(gè)接收端的共享密鑰相同。

進(jìn)一步的，所述糾錯(cuò)單元包括誤碼率計(jì)算單元，所述誤碼率計(jì)算單元通過各個(gè)接收端將預(yù)定好的部分共享密鑰分別發(fā)送給發(fā)送端，發(fā)送端將各個(gè)部分共享密鑰與各個(gè)原始密鑰中相應(yīng)位置上的值分別進(jìn)行比對(duì)，以結(jié)果不同的位置總數(shù)占參與對(duì)比的總位置數(shù)的比值作為誤碼率，選擇其中最大的誤碼率得到系統(tǒng)誤碼率。

進(jìn)一步的，所述糾錯(cuò)單元還包括校驗(yàn)碼計(jì)算單元，所述校驗(yàn)碼計(jì)算單元用于根據(jù)系統(tǒng)誤碼率確定校驗(yàn)矩陣，然后根據(jù)校驗(yàn)矩陣得到原始密鑰的校驗(yàn)碼及共享密鑰的校驗(yàn)碼。

進(jìn)一步的，所述糾錯(cuò)單元包括LDPC糾錯(cuò)單元，所述LDPC糾錯(cuò)單元用于利用原始密鑰的校驗(yàn)碼對(duì)接收端的共享密鑰向發(fā)送端的原始密鑰進(jìn)行糾錯(cuò)。

進(jìn)一步的，所述糾錯(cuò)單元包括碼率調(diào)整單元，所述碼率調(diào)整單元用于糾錯(cuò)不成功后，進(jìn)行碼率調(diào)整得到新的原始密鑰和共享密鑰，并以新的原始密鑰和共享密鑰替代上一次的原始密鑰和共享密鑰進(jìn)行循環(huán)糾錯(cuò)和碼率調(diào)整，直至糾錯(cuò)成功或達(dá)到預(yù)設(shè)的最大的糾錯(cuò)次數(shù)；

首次進(jìn)行碼率調(diào)整時(shí)需要計(jì)算puncturing、shortening的位數(shù)及其位置信息；且相鄰兩次碼率調(diào)整過程中puncturing和shortening操作的位置進(jìn)行如下調(diào)整：將上一次puncturing的位置信息中選取部分作為shortening的位置信息作為新的puncturing和shortening的位置信息以用于進(jìn)行下一次碼率調(diào)整。

本發(fā)明中，糾錯(cuò)算法是基于多方量子密鑰分發(fā)進(jìn)行的，首先進(jìn)行多方量子密鑰分發(fā)，在發(fā)送端形成發(fā)送端的原始密鑰，在各個(gè)接收端分別形成相應(yīng)的共享密鑰。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本申請具有以下優(yōu)點(diǎn)：

現(xiàn)有技術(shù)只能對(duì)兩方進(jìn)行密鑰糾錯(cuò)，本發(fā)明能夠?qū)Χ喾竭M(jìn)行密鑰糾錯(cuò)；如果將現(xiàn)有技術(shù)應(yīng)用于多方密鑰糾錯(cuò)，只能依次成對(duì)進(jìn)行糾錯(cuò)，假設(shè)采用可變碼率LDPC編碼，碼率調(diào)整后，獲得的密鑰是不同的；如果采用固定碼率LDPC編碼時(shí)，因?yàn)闆]有碼率調(diào)整，獲得相同密鑰的成功率會(huì)偏低；本發(fā)明能使用可變碼率LDPC編碼，進(jìn)行多方密鑰糾錯(cuò)獲得相同密鑰。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

圖1是本發(fā)明實(shí)施例1一種用于多方量子密鑰分發(fā)的糾錯(cuò)方法的流程框圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例1一種多方量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的描述，但本發(fā)明并不限于這些實(shí)施例。

在本申請中，提供了一種多方量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)，一種用于多方量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的糾錯(cuò)方法，在下面的實(shí)施例中逐一進(jìn)行詳細(xì)說明。

實(shí)施例1

參考圖1，本實(shí)施例提供的一種用于三方量子密鑰分發(fā)的糾錯(cuò)方法，應(yīng)用于包括發(fā)送端和兩個(gè)接收端的三方量子密鑰分發(fā)平臺(tái)。

其中，發(fā)送端為Alice端，兩個(gè)接收端分別為Bob端和Charlie端。Alice端用于將原始密鑰KA分別發(fā)送給Bob端和Charlie端。Bob端和Charlie端分別接收來自發(fā)送端的原始密鑰KA并得到相應(yīng)的共享密鑰KB和KC。

在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，由于在復(fù)雜的光子序列傳輸、處理過程中存在光損耗、誤碼等問題，由于接收端接收到的結(jié)果和發(fā)送端發(fā)送的結(jié)果不一致，所以需要對(duì)Bob端和Charlie端接收到的共享密鑰進(jìn)行糾錯(cuò)。通過對(duì)Alice端的原始密鑰KA和Bob端、Charlie端的共享密鑰KB和KC進(jìn)行糾錯(cuò)，使Alice端的原始密鑰KA和Bob端、Charlie端的共享密鑰KB和KC均相同(即糾錯(cuò)成功后：KA＝KB＝KC)。

糾錯(cuò)方法具體如下：

Alice端通過量子信道發(fā)送給Bob端獲得共享密鑰KB，Bob端將預(yù)先約定好的部分密鑰KB'通過經(jīng)典信道發(fā)送給Alice端，Alice端將部分密鑰KB’與原始密鑰KA相應(yīng)部分KA'進(jìn)行比較，以比對(duì)結(jié)果不同的位置的總數(shù)和占參與比對(duì)的總位置數(shù)的比值作為Alice端和Bob端之間的誤碼率PeB。同理，根據(jù)原始密鑰KA、共享密鑰KC進(jìn)行上述操作即可得到Alice端和Charlie端之間的誤碼率PeC。并以誤碼率PeB、PeC中的最大值作為該秘密共享系統(tǒng)的誤碼率Pe。

對(duì)于密鑰分發(fā)系統(tǒng)，具有確定的可候選的校驗(yàn)矩陣集合，集合中的各個(gè)校驗(yàn)矩陣對(duì)應(yīng)于不同范圍的誤碼率，且各個(gè)矩陣具有唯一的索引信息(通常為矩陣ID)。由于校驗(yàn)矩陣的所占內(nèi)存大于索引信息，在計(jì)算校驗(yàn)碼的過程中，并不需要將校驗(yàn)矩陣傳輸后進(jìn)行計(jì)算，而是通過傳輸與該校驗(yàn)矩陣相對(duì)應(yīng)的索引信息，通過索引信息可以直接調(diào)取該校驗(yàn)矩陣的信息。根據(jù)Pe從預(yù)存的包括至少一個(gè)矩陣的校驗(yàn)矩陣集合(根據(jù)度分布表采用PEG算法計(jì)算得到)中選擇一個(gè)作為相應(yīng)的校驗(yàn)矩陣H；Alice端使用校驗(yàn)矩陣H和原始密鑰KA進(jìn)行矩陣乘法操作獲得原始密鑰KA的校驗(yàn)碼SA；Alice端將校驗(yàn)矩陣索引信息及校驗(yàn)碼SA通過經(jīng)典信道發(fā)送給Bob端和Charlie端，Bob端和Charlie端獲得校驗(yàn)矩陣索引信息和校驗(yàn)碼SA后，根據(jù)校驗(yàn)矩陣索引信息得到校驗(yàn)矩陣H，進(jìn)而算出校驗(yàn)碼SB、SC。

在糾錯(cuò)過程中，分別利用校驗(yàn)碼SA對(duì)共享密鑰KB、KC向原始密鑰KA進(jìn)行LDPC糾錯(cuò)；并將糾錯(cuò)結(jié)果(是否成功)通過經(jīng)典信道發(fā)送給Alice端。

Alice端等待接收到Bob端和Charlie端的成功或失敗消息，通過如下方法判斷成功或失?。?/p>

分別計(jì)算Bob端和Charlie端的校驗(yàn)碼SB、SC，判斷校驗(yàn)碼SA＝SB＝SC是否成立：若成立，則糾錯(cuò)成功；若不成立，則糾錯(cuò)失敗。

如果Bob端和Charlie端均糾錯(cuò)成功，則向Bob端和Charlie端返回成功消息，糾錯(cuò)結(jié)束。

否則，進(jìn)行如下步驟：

Alice端、Bob端和Charlie端進(jìn)行puncturing(穿刺)和shortening(截短)碼率調(diào)整，具體過程如下：

如果首次調(diào)整碼率，則要計(jì)算puncturing的位數(shù)p和shortening的位數(shù)s、位置信息(puncturing位置和shortening位置)，具體計(jì)算過程如下：

假設(shè)可變碼率δ(一般取δ＝10％)，密鑰長度為n，初始碼率為R0，錯(cuò)誤率為∈，預(yù)期的f因子為f(∈)(一般選取f(∈)＝1.2)，那么可以得出可調(diào)位數(shù)d以及熵H₂(∈)：

(b1-1-2)估算需要的碼率：

R＝1-f(∈)H₂(∈) (2)

根據(jù)(1)、(2)的結(jié)果可以算出shortening和puncturing的位數(shù)：

Alice端隨機(jī)生成如下成d個(gè)不重復(fù)的隨機(jī)排列的隨機(jī)數(shù)表示位置信息，每個(gè)隨機(jī)數(shù)的取值范圍均為1～n，n是密鑰的長度。隨機(jī)數(shù)前p位表示puncturing位置，后s位表示shortening位置。通過經(jīng)典信道Alice端發(fā)送位置信息給Bob端和Charlie端。

根據(jù)puncturing和shortening的位置信息按照任意順序依次進(jìn)行puncturing和shortening得到新的密鑰KA1、KB1和KC1。

puncturing和shrotening具體過程如下：

puncturing:Alice端、Bob端和Charlie端各自獨(dú)立生成p位二進(jìn)制隨機(jī)數(shù)，分別按照puncturing位置信息將原始數(shù)據(jù)替換成自己生成的p位二進(jìn)制隨機(jī)數(shù)。

shortening:Alice端生成s位二進(jìn)制隨機(jī)數(shù)，將此s位二進(jìn)制隨機(jī)數(shù)通過經(jīng)典信道發(fā)送給Bob端和Charlie端，Alice端、Bob端和Charlie端三方按照shortening位置信息將原始數(shù)據(jù)替換成此s位二進(jìn)制隨機(jī)數(shù)。

根據(jù)所得新的密鑰KA1、KB1和KC1更新校驗(yàn)碼SA、SB、SC，進(jìn)行循環(huán)糾錯(cuò)，直到多方糾錯(cuò)成功，或達(dá)到預(yù)先約定的循環(huán)次數(shù)上限。

在糾錯(cuò)過程中，設(shè)定采用LDPC糾錯(cuò)方法進(jìn)行糾錯(cuò)的最大次數(shù)設(shè)定為5次。在實(shí)際糾錯(cuò)過程中，一般情況下，通過3次糾錯(cuò)即可糾錯(cuò)完成。若在特殊情況下，通過5次糾錯(cuò)還不能糾錯(cuò)成功，則系統(tǒng)停止運(yùn)算。

對(duì)于上一次糾錯(cuò)成功的一方，再次向Alice端發(fā)送成功消息；對(duì)于上一次糾錯(cuò)失敗的一方，進(jìn)行LDPC方法糾錯(cuò)，完成后向Alice端發(fā)送成功或失敗消息。

如果不是首次調(diào)整碼率，則puncturing和shortening操作的位置進(jìn)行如下調(diào)整：將上一次puncturing的位置信息中選取部分作為shortening的位置信息作為新的puncturing和shortening的位置信息以用于進(jìn)行下一次碼率調(diào)整。

在上述的實(shí)施例中，提供了一種用于三方量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的糾錯(cuò)方法，進(jìn)一步的，本申請還提供了一種三方量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)。

參考圖2，本實(shí)施例提供的一種三方量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)應(yīng)用于包括發(fā)送端和兩個(gè)接收端的三方量子密鑰分發(fā)平臺(tái)，包括：發(fā)送單元，用于將原始密鑰分別發(fā)送給接收端；接收單元，用于在接收端收來自發(fā)送端的原始密鑰，并以接收結(jié)果作為相應(yīng)的共享密鑰。糾錯(cuò)單元，用于對(duì)發(fā)送端的原始密鑰和各個(gè)接收端的共享密鑰進(jìn)行糾錯(cuò)使發(fā)送端的原始密鑰和各個(gè)接收端的共享密鑰相同。

進(jìn)一步的所述糾錯(cuò)單元包括誤碼率計(jì)算單元，所述誤碼率計(jì)算單元通過各個(gè)接收端將預(yù)定好的部分共享密鑰分別發(fā)送給發(fā)送端，發(fā)送端將各個(gè)部分共享密鑰與各個(gè)原始密鑰中相應(yīng)位置上的值分別進(jìn)行比對(duì)，以結(jié)果不同的位置總數(shù)占參與對(duì)比的總位置數(shù)的比值作為誤碼率，選擇其中最大的誤碼率得到系統(tǒng)誤碼率；所述糾錯(cuò)單元還包括校驗(yàn)碼計(jì)算單元，所述校驗(yàn)碼計(jì)算單元用于根據(jù)系統(tǒng)誤碼率確定校驗(yàn)矩陣，然后根據(jù)校驗(yàn)矩陣得到原始密鑰的校驗(yàn)碼及共享密鑰的校驗(yàn)碼；所述糾錯(cuò)單元還包括LDPC糾錯(cuò)單元，所述LDPC糾錯(cuò)單元用于利用原始密鑰的校驗(yàn)碼對(duì)接收端的共享密鑰向發(fā)送端的原始密鑰進(jìn)行糾錯(cuò)；所述糾錯(cuò)單元還包括碼率調(diào)整單元，所述碼率調(diào)整單元用于糾錯(cuò)不成功后，進(jìn)行碼率調(diào)整得到新的原始密鑰和共享密鑰，并以新的原始密鑰和共享密鑰替代上一次的原始密鑰和共享密鑰進(jìn)行循環(huán)糾錯(cuò)和碼率調(diào)整，直至糾錯(cuò)成功或達(dá)到預(yù)設(shè)的最大的糾錯(cuò)次數(shù)；首次進(jìn)行碼率調(diào)整時(shí)需要計(jì)算puncturing、shortening的位數(shù)及其位置信息；且相鄰兩次碼率調(diào)整過程中puncturing和shortening操作的位置進(jìn)行如下調(diào)整：將上一次puncturing的位置信息中選取部分作為shortening的位置信息作為新的puncturing和shortening的位置信息以用于進(jìn)行下一次碼率調(diào)整。

另外，發(fā)送端還包括量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器用于產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)，根據(jù)這些隨機(jī)數(shù)就能生成各個(gè)接收端的原始密鑰。

實(shí)施例2

本實(shí)施例提供的一種多方量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)以及一種用于多方量子密鑰分發(fā)的糾錯(cuò)方法。

與實(shí)施例1相比，該多方量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)應(yīng)用于一個(gè)發(fā)送端和多個(gè)接收端的多方量子密鑰分發(fā)平臺(tái)，其工作原理與實(shí)施例1相同，這里不再重復(fù)說明。

該糾錯(cuò)方法用于對(duì)發(fā)送端的原始密鑰和多個(gè)接收端的共享密鑰進(jìn)行糾錯(cuò)使發(fā)送端的原始密鑰和多個(gè)接收端的共享密鑰相同。與實(shí)施例1相比，本實(shí)施例中的糾錯(cuò)方法應(yīng)用于一個(gè)發(fā)送端和多個(gè)接收端的多方量子密鑰分發(fā)平臺(tái)，但其在實(shí)際算法上可由實(shí)施例1推理可得，這里不再重復(fù)說明。

本文中所描述的具體實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明精神作舉例說明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)所描述的具體實(shí)施例做各種各樣的修改或補(bǔ)充或采用類似的方式替代，但并不會(huì)偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權(quán)利要求書所定義的范圍。