在量子密鑰分配系統(tǒng)中用于處理雙擊事件以確保安全的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 在一個(gè)或更多個(gè)實(shí)施方式中，本公開(kāi)涉及量子密鑰分配（QKD)方法和系統(tǒng)。更具 體地，本公開(kāi)涉及用于處理在檢測(cè)到量子信號(hào)時(shí)生成的雙擊事件以保證系統(tǒng)安全的方法， 以及使用該方法的QKD系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 本部分中的陳述僅提供關(guān)于本公開(kāi)的背景信息，并非必須構(gòu)成現(xiàn)有技術(shù)。
[0003] 通常，量子密鑰分配（QKD)系統(tǒng)使用兩個(gè)單光子檢測(cè)器（sro)，并且當(dāng)檢測(cè)到信號(hào) (所謂的"點(diǎn)擊"）時(shí)，各個(gè)SPD輸出1，當(dāng)沒(méi)有檢測(cè)到信號(hào)時(shí)，各個(gè)SPD輸出0。如果這兩個(gè) sro由D_0和D_1表示，則存在如下的從D_0和D_1輸出的比特信息的四個(gè)事件：
[0004] (D_0, D_l) = (0, 0)-沒(méi)有點(diǎn)擊
[0005] (D_0，D_1) = (1，0)-正常信號(hào)比特 0
[0006] (D_0，D_1) = (0, 1)-正常信號(hào)比特 1
[0007] (D_0, D_l) = (1，1)-雙擊
[0008] 最后的雙擊事件指的是兩個(gè)sro都檢測(cè)到信號(hào)的情況。在該雙擊事件中，雖然發(fā) 送者和接收者二者使用了相同的基（basis)，但是同時(shí)生成比特0和比特1，使得如果選擇 兩個(gè)比特中的任一個(gè)，則發(fā)生50%的誤差。這樣，通常優(yōu)選地是，防止這些雙擊事件反映在 協(xié)議中。
[0009] Nobert Lutkenhaus在非專(zhuān)利文獻(xiàn)1和非專(zhuān)利文獻(xiàn)2中提出不應(yīng)該去除在QKD系 統(tǒng)中生成的雙擊事件，而是應(yīng)該單獨(dú)地且安全地處理雙擊事件。
[0010] 假設(shè)如下攻擊，即，在相同的基下攻擊者用多個(gè)光子攻擊接收者的偏振分束器。如 表1所示，如果接收者使用與攻擊者的基不同的共輒基來(lái)進(jìn)行測(cè)量，則發(fā)生一對(duì)接收者SPD 中的兩者都檢測(cè)到信號(hào)的雙擊事件。如果接收者使用與攻擊者的基相同的基來(lái)進(jìn)行測(cè)量， 則檢測(cè)到正常事件。
[0011] [表 1]
[0012]
[0013] 如果接收者側(cè)將雙擊事件（表1中的事件2、3、6和7)確定為異常事件并且丟棄 這些事件，并且將與其它事件（表1中的事件1、4、5和8)相對(duì)應(yīng)的比特用作原始密鑰來(lái)實(shí) 施QKD協(xié)議，則接收者最終與攻擊者共享相同的信息。因此，攻擊者能竊取最終密鑰而不被 發(fā)送者或接收者發(fā)現(xiàn)。
[0014] 為了解決這個(gè)問(wèn)題，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，每當(dāng)雙擊事件發(fā)生時(shí)，不丟棄雙擊事件并且任 意分配比特0和比特1。由于任意分配到雙擊事件的比特值產(chǎn)生50%的概率的比特誤差并 由此增加了量子誤碼率（QBER)，所以發(fā)送者和接收者可以檢測(cè)到攻擊者的攻擊。
[0015] 這里，在將比特0或比特1分配到雙擊事件時(shí)需要排除任何規(guī)律，使得在從正常事 件捕獲與雙擊發(fā)生的比率一樣多的關(guān)于密鑰的信息時(shí)，能夠解譯攻擊者。然而，如果有規(guī)律 地分配比特0或比特1，則由于攻擊者捕獲關(guān)于密鑰的信息，所以不得不解譯關(guān)于雙擊事件 本身的更進(jìn)一步的信息。換言之，如果任意分配比特0或比特1，則攻擊者獲得與雙擊事件 的數(shù)量相對(duì)應(yīng)的信息，并且如果有規(guī)律地分配比特〇或比特1，則攻擊者獲得與雙擊事件的 數(shù)量的兩倍相對(duì)應(yīng)的信息。
[0016] 這樣，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，認(rèn)為QKD系統(tǒng)將比特0和比特1任意分配至雙擊事件，并且 需要諸如真隨機(jī)數(shù)生成器（TRNG)或真隨機(jī)比特生成器（TRBG)的附加裝置。這引起QKD系 統(tǒng)在成本和體積方面的很大負(fù)擔(dān)。
[0017] 非專(zhuān)利文南犬 I ,Estimates for practical quantum cryptography'，，Physical Review A59,3301-3319(1999)
[0018] 非專(zhuān)利文南犬2 ,Security against individual attacks for realistic quantum key distribution"，Physical Review A 61 :052304(2000)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0019] 技術(shù)問(wèn)題
[0020] 因此，本公開(kāi)已經(jīng)致力于有效地解決上述限制，并且提供了一種方法，該方法用于 在不使用諸如真隨機(jī)數(shù)生成器（TRNG)的附加裝置的情況下通過(guò)僅修改協(xié)議來(lái)處理在量子 密鑰分配（QKD)系統(tǒng)的單光子檢測(cè)器（SPD)中生成的雙擊事件以保證QKD系統(tǒng)的安全。
[0021] 技術(shù)方案
[0022] 本公開(kāi)提出了一種用于通過(guò)檢測(cè)攻擊者的攻擊而不使用真隨機(jī)數(shù)生成器（TRNG) 并且將檢測(cè)的結(jié)果反映在最終密鑰的長(zhǎng)度中來(lái)保證與現(xiàn)有技術(shù)相同的安全水平的方法。根 據(jù)本公開(kāi)的至少一個(gè)實(shí)施方式，可以通過(guò)限制雙擊事件的數(shù)量的可容許范圍來(lái)在不使用 TRNG的情況下檢測(cè)攻擊者的攻擊。此外，根據(jù)本公開(kāi)的至少一個(gè)實(shí)施方式，通過(guò)將雙擊事件 的數(shù)量反映在最終密鑰的長(zhǎng)度中可以保證與現(xiàn)有技術(shù)相同的安全水平。
[0023] 根據(jù)本公開(kāi)的一些實(shí)施方式，一種用于使用量子通信生成密鑰的方法包括以下步 驟：執(zhí)行量子密鑰分配（QKD)協(xié)議并且生成篩選密鑰，基于篩選密鑰執(zhí)行后處理協(xié)議并且 生成最終密鑰，并且尤其包括對(duì)在檢測(cè)到量子信號(hào)時(shí)生成的雙擊事件的數(shù)量進(jìn)行計(jì)數(shù)，并 且考慮雙擊事件的數(shù)量來(lái)執(zhí)行最終密鑰的保密增強(qiáng)。
[0024] 執(zhí)行保密增強(qiáng)的步驟可以包括以下步驟：將最終密鑰的長(zhǎng)度減少雙擊事件的數(shù) 量。
[0025] 如下調(diào)節(jié)最終密鑰的長(zhǎng)度：
篩選密鑰的長(zhǎng)度，h(x)表示香農(nóng)熵，QBER表示量子誤碼率，并且Numdciuble表示雙擊事件的數(shù) 量。
[0027] 如果雙擊事件的數(shù)量超過(guò)預(yù)設(shè)的容許限度，則丟棄QKD協(xié)議。這里，可以考慮系統(tǒng) 不完整來(lái)設(shè)定容許限度。
[0028] 在QKD協(xié)議中生成篩選密鑰之前，可以與發(fā)送器共享關(guān)于雙擊事件的數(shù)量的信 息。
[0029] 利用以蓋革模式（Geiger mode)工作的一對(duì)雪崩光電二極管（avalanche photo diode，APD)可以檢測(cè)到量子信號(hào)。
[0030] 根據(jù)本公開(kāi)的其它實(shí)施方式，一種發(fā)送器包括：量子位發(fā)送器，該量子位發(fā)送器被 配置為經(jīng)由量子信道向接收器發(fā)送基于隨機(jī)比特序列和隨機(jī)基序列調(diào)制的光脈沖；以及處 理器，該處理器被配置為與接收器通信并且經(jīng)由公共信道執(zhí)行量子密鑰分配（QKD)協(xié)議， 并且考慮從接收器接收的雙擊事件的數(shù)量來(lái)執(zhí)行保密增強(qiáng)處理。
[0031] 如果雙擊事件的數(shù)量超過(guò)預(yù)設(shè)的容許限度，則處理器可以丟棄QKD協(xié)議。
[0032] 根據(jù)本公開(kāi)的其它實(shí)施方式，一種接收器包括：基設(shè)定部，該基設(shè)定部被配置為隨 機(jī)設(shè)定用于量子位解調(diào)的基序列；光子檢測(cè)器，該光子檢測(cè)器包括連接到基設(shè)定部的輸出 端口的一對(duì)單光子檢測(cè)器；以及處理器，該處理器被配置為基于光子檢測(cè)器的輸出執(zhí)行量 子密鑰分配（QKD)協(xié)議并生成篩選密鑰，基于篩選密鑰執(zhí)行后處理協(xié)議并生成最終密鑰， 并且考慮由光子檢測(cè)器生成的雙擊事件的數(shù)量來(lái)執(zhí)行最終密鑰的保密增強(qiáng)。
[0033] 根據(jù)本公開(kāi)的其它實(shí)施方式，一種量子密鑰分配（QKD)系統(tǒng)包括發(fā)送器和接收 器，該發(fā)送器和該接收器被配置為對(duì)通過(guò)實(shí)施QKD協(xié)議生成的篩選密鑰執(zhí)行后處理協(xié)議并 生成最終密鑰，并且考慮在接收到量子信號(hào)時(shí)生成的雙擊事件的數(shù)量來(lái)執(zhí)行最終密鑰的保 密增強(qiáng)。
[0034] 技術(shù)效果
[0035] 與需要附加硬件（諸如真隨機(jī)數(shù)生成器（TRNG))來(lái)處理雙擊事件的現(xiàn)有技術(shù)的量 子密鑰分配（QKD)系統(tǒng)相反，本公開(kāi)可以在不使用TRNG的情況下僅通過(guò)對(duì)雙擊事件的數(shù)量 進(jìn)行計(jì)數(shù)來(lái)檢測(cè)攻擊者的攻擊并使所述攻擊無(wú)效（neutralize)。具體地，考慮到TRNG在成 本和體積方面對(duì)QKD系統(tǒng)造成的大量負(fù)擔(dān)，本發(fā)明可以提供大的實(shí)現(xiàn)方式優(yōu)勢(shì)。
[0036] 此外，根據(jù)本公開(kāi)，可以通過(guò)僅修改協(xié)議來(lái)檢測(cè)攻擊者使用雙擊事件的攻擊并使 所述攻擊無(wú)效，并且在軟件中可以容易地修改協(xié)議。
【附圖說(shuō)明】
[0037] 圖1是根據(jù)本公開(kāi)的至少一個(gè)實(shí)施方式的量子密鑰分配（QKD)系統(tǒng)的示意框圖。
[0038] 圖2是根據(jù)本公開(kāi)的至少一個(gè)實(shí)施方式的用于處理雙擊事件的方法的流程圖，該 方法被反映在BB84協(xié)議中。