技术领域
[0001] 本
发明属于量子通信技术领域，具体是一种基于量子网络的MDI-QKD协议。
背景技术
[0002] 量子保密通信以量子物理与信息学为
基础，其安全性是由量子
力学基本原理来保证的，量子密钥分发是量子保密通信中最为重要的内容，被认为是安全性最高的加密方式。它使得通信双方能够产生并分享一个随机的、安全的密钥来加密和解密信息。1984年，Bennett等人首次提出了量子密码史上的QKD协议，BB84协议，而后经过三十多年的发展，各种新型的QKD协议相继出现，如：循环差分
相移协议，基于脉冲调制的QKD协议，诱骗态双向QKD协议，等等。其中，Hoi-KwongLo等人于2012年提出了实用性更高的QKD协议，测量设备无关的量子密钥分发(Measurement-Device-Independent Quantum Key Distribution Protocol,MDI-QKD)协议。在MDI-QKD协议中，Alice和Bob为合法通信用户，只负责量子态的制备，而后将制备的量子态分别发送给协议运行的第三方Charlie，由Charlie完成对两个量子态的测量，并通过公共的经典信道将测量结果公布给Alice和Bob，Alice和Bob根据Charlie端的测量结果对各自手中的数据进行后续处理，最终获取安全密钥。MDI-QKD协议自2012年首次提出之后便受到科研爱好者的热捧，从理论和实验两方面都进行了深入的研究。
[0003] 量子网络，是新型的安全通信网络，其利用量子纠缠和量子隐形传态给网络带来真正意义上的安全，以及计算和科学领域质的飞跃。其中，量子隐形传态又称量子遥传、量子远距传输等，是一种利用量子纠缠和一些经典物理信息来传送未知量子态的全新通信技术。若Alice传送一个未知量子态至接收方Bob，首先Alice和Bob间要共享一个纠缠的量子通道，即EPR纠缠粒子对，然后Alice将原未知量子态分解为经典信息和量子信息分别经由经典信道和
量子信道传送给Bob，Bob根据获取的信息将未知量子态还原。其中，经典信息是发送者Alice对待传送的未知量子态进行贝尔态测量而获知的测量结果，量子信息则是Alice在测量中未获取的有关未知量子态的其余信息。
[0004] 原始的MDI-QKD协议中，合法通信用户Alice和Bob不配备任何测量装置，只负责量子态的制备，而量子态的测量由一个不可信任的第三方Charlie进行。
申请号为201510008068.9的
专利公开了一种两
节点测量设备无关量子密钥分发系统，将两个独立
激光器和测量装置Charlie都放置在同一个节点上，即均放置在Alice端或Bob端，形成两节点双向传输的量子密钥分发系统。这种特殊的结构移除了协议运行过程中窃听者对测量设备的攻击，保证了通信的安全性，然而该协议的安全通信距离还不够长，需要进一步改进以延长安全通信的距离。
发明内容
[0005] 本发明的目的是针对
现有技术存在的问题，提供一种基于量子网络的MDI-QKD协议，将量子隐形传态应用于MDI-QKD协议中，一方面，保证了安全协议对测量设备的不依赖性，有效地避免了QKD系统中测量器端的所有攻击；另一方面，量子网络中的量子隐形传态能够大幅度的延长通信的安全距离；故本发明的一种基于量子网络的MDI-QKD协议，能够实现在保证安全性的同时大幅度延长安全传输距离的效果。
[0006] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
[0007] 一种基于量子网络的MDI-QKD协议，包括如下步骤：
[0008] S1，通信用户Alice通过量子路由的方法与处在同一量子网络的节点Alicel建立最优的路由路线；
[0009] S2，处于同一量子网络的通信用户Alice和Bob分别制备量子态，且通信用户Alice通过隐形传态的方式将自己制备的量子态传送至节点Alicel；
[0010] S3，Alicel接收到量子态后与Bob同步地通过量子信道将两个量子态发送给第三方量子测量设备Charlie进行测量；
[0011] S4，Charlie对接收到的两个量子态进行BELL态测量(BSM)，然后通过经典信道将测量结果公布给通信用户Alice和Bob；Alice和Bob对获取到的测量结果进行判断；
[0012] S5，若判断测量结果错误，则Alice和Bob都将本次通信过程中发送给Charlie测量的量子态数据丢弃；若判断测量结果正确，则Alice和Bob暂时保留该量子态数据，并通过对基操作得到筛后的密钥数据，Alice或者Bob任一方对自己的密钥做一次比特翻转；
[0013] S6，重复步骤S2至S5，得到一串自然密钥比特；
[0014] S7，检测量子信道是否存在窃听；
[0015] S8，得到最终安全密钥。
[0016] 具体地，步骤S2中，所述通信用户Alice在传送量子态的过程中，会损失一定量的信息，即Alice将量子态传送到Alicel存在一定的保真度，所述保真度表示为：
[0017]
[0018] 其中，0≤x≤1，x表示量子隐形传态中W态的权重；当 时，W态可分离；当时，W态不可分离；当x＝1时，W态为纯态；n表示量子隐形传态的节点数；ρin和ρn-1分别表示输入量子态以及第n-1个节点的输出量子态的
密度算法；Tr表示矩阵的迹。
[0019] 具体地，步骤S4中，所述Alice和Bob对获取到的测量结果进行判断的方法为：Alice和Bob各自选取一部分密钥并公开，Alice和Bob根据公开的密钥来计算密钥的错误率，若错误率超过
阈值，则判断测量结果错误；若错误率低于阈值，则判断测量结果正确。
[0020] 具体地，步骤S5中，所述通过对基操作得到筛后的密钥数据的方法为：Alice和Bob先公开各自制备每个量子态所使用的基，然后把使用相同基制备的量子态对应的密钥数据保留下来，舍弃使用不同基制备的量子态对应的密钥数据，从而得到筛后的密钥数据。
[0021] 具体地，步骤S7中，检验量子信道是否存在窃听的方法为：Alice和Bob双方公示出部分原始密钥，并计算密钥的误码率；若误码率超过
门限，说明存在窃听，舍弃此次协议过程，若误码率不超过门限，则保留未公示的原始密钥。
[0022] 具体地，步骤S8中，得到最终安全密钥之前，需要对剩下的密钥串进行纠错和保密放大操作。
[0023] 进一步地，所述协议的密钥率计算公式为：
[0024]
[0025] 其中，Qrect和Erect表示rect基下的增益和量子误码率；f(Erect)为错误纠正率函数，H(x)＝-xlog2(x)-(1-x)log2(1-x)为
香农熵函数； 表示在MDI－QKD中斜极化基下的单
光子脉冲的错误率； 表示
水平垂直基的强度为uv的光脉冲的错误率，u为Alice发送的光脉冲的强度，v为Bob发送的光脉冲的强度。
[0026] 进一步地，所述协议的增益和量子误码率表示为：
[0027]
[0028]
[0029]
[0030] 其中， 表示Alice和Bob在rect基下发送强度为u和v的光脉冲的增益； 表示Alice1和Bob在rect基下发送强度为u和v的光脉冲的增益； 表示Alice和Bob在rect基下发送强度为u和v的光脉冲的错误率； 表示Alice1和Bob在rect基下发送强度为u和v的光脉冲的错误率； 表示量子网络中斜极化基的单光子脉冲的错误率，其右上标xx’代表Alice和Bob同时使用斜极化基，该量子网络包括隐形传态和MDI－QKD； 表示斜极化基的强度为uv的光脉冲的错误率，其右上标xx代表Alice1和Bob同时使用斜极化基；u为Alice发送的光脉冲的强度；v为Bob发送的光脉冲的强度；Fn表示Alice传送给Alice1的量子态的保真度；在相同纠缠度和密钥率的情况下，随着隐形传态的节点数n的增大，协议的相对传输距离在逐渐减小；在隐形传态的节点数n和密钥率相同的情况下，随着隐形传态时W态的纠缠度的降低，协议的相对传输距离也在逐渐减小。
[0031] 具体地，所述量子网络包括量子网络源节点的两个合法通信用户Alice、Bob以及一个量子网络目的节点Alicel。
[0032] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的通信协议采用的是MDI-QKD协议，因而具有原始MDI-QKD协议的优势，即保证了安全协议对测量设备的不依赖性，有效地避免了QKD系统中测量器端的所有攻击；本发明将量子网络中的量子隐形传态应用到MDI-QKD协议中，在保证通信安全性的同时，大幅度提升了MDI-QKD协议的距离。
附图说明
[0033] 图1为本发明一种基于量子网络的MDI-QKD协议的
流程图；
[0034] 图2为本发明一种基于量子网络的MDI-QKD协议的通信网络示意图。
具体实施方式
[0035] 下面将结合本发明中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的
实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0036] 如图2所示，本实施例提供了一种基于量子网络的MDI-QKD协议，本实施例的协议主要包括四大部分：量子网络源节点的合法通信用户Alice和量子网络目的节点的目的节点Alice1、合法通信用户Bob以及第三方测量设备；其中源节点和目的节点同处于同一个量子网络。源节点与目的节点通过网络路由的方式选择一条最优的通信线路，并采用量子隐形传态的方式进行量子态的传输。由于量子密码通信的距离是受限的，Alice与Bob之间距离较远，无法实现量子密码通信。Alice1与Bob之间距离较短，可以实现测量设备无关的量子密码通信。本实施例给出借助于隐形传态技术如何实现Alice与Bob之间的量子密码通信方法。
[0037] 如图1所示，该协议的具体流程如下：
[0038] S1，合法的通信用户Alice通过量子智能
优化算法在量子网络中路由出一条最优的线路至Alice1节点，在Alice与Alice1节点间有n个中间节点，每个节点间会通过量子隐形传态的方式将量子态传送至Alice1节点；
[0039] S2，在量子隐形传态的过程中，若合法通信用户Alice要传送一个未知量子态至节点Alice1，首先Alice和Alice附近的节点共享一个纠缠的量子通道，即EPR纠缠粒子对，然后Alice将原未知量子态分解为经典信息和量子信息分别经由经典信道和量子信道传送给该中间节点，该节点根据获取的信息将未知量子态还原；
[0040] S3，Alice1获取到Alice端传送的量子态后与另一合法通信用户Bob同步地通过量子信道将各自的量子态发送给第三方Charlie进行贝尔态测量；
[0041] S4，测量完成后，由Charlie通过公共信道将测量结果公布给Alice和Bob，Alice和Bob判断Charlie方测量的测量结果是否为正确结果；
[0042] S5，若判断测量结果错误，则Alice和Bob都将本次通信过程中发送给Charlie测量的量子态数据丢弃；若判断测量结果正确，则Alice和Bob暂时保留该量子态数据，并通过对基操作得到筛后的密钥数据，Alice或者Bob任一方对自己的密钥做一次比特翻转；
[0043] S6，重复步骤S2至S5，直到得到足够的原始密钥，即得到一串自然密钥比特；
[0044] S7，检测量子信道是否存在窃听；
[0045] S8，得到最终安全密钥。
[0046] 具体地，步骤S2中，所述经典信息是发送者Alice对待传送的未知量子态进行贝尔态测量而获知的测量结果，所述量子信息则是Alice在测量中未获取的有关未知量子态的其余信息。重复n-1次隐形传态后，可将合法用户Alice制备的量子态传送至Alicel节点。
[0047] 进一步地，步骤S2中，所述通信用户Alice在传送量子态的过程中，会损失一定量的信息，即Alice将量子态传送到Alicel存在一定的保真度，所述保真度表示为：
[0048]
[0049] 其中，0≤x≤1，x表示量子隐形传态中W态的权重；当 时，W态可分离；当时，W态不可分离；当x＝1时，W态为纯态；n表示量子隐形传态的节点数；ρin和ρn-1分别表示输入量子态以及第n-1个节点的输出量子态的密度算法。
[0050] 具体地，步骤S4中，所述Alice和Bob对获取到的测量结果进行判断的方法为：Alice和Bob各自选取一部分密钥并公开，Alice和Bob根据公开的密钥来计算密钥的错误率，若错误率超过阈值，则判断测量结果错误；若错误率低于阈值，则判断测量结果正确；在传输量子态为单光子情况下，该阈值为11％。
[0051] 具体地，步骤S5中，所述通过对基操作得到筛后的密钥数据的方法为：Alice和Bob先公开各自制备每个量子态所使用的基，然后把使用相同基制备的量子态对应的密钥数据保留下来，舍弃使用不同基制备的量子态对应的密钥数据，从而得到筛后的密钥数据。
[0052] 具体地，步骤S7中，检验量子信道是否存在窃听的方法为：Alice和Bob双方公示出部分原始密钥，并计算密钥的误码率；若误码率超过门限，说明存在窃听，舍弃此次协议过程，若误码率不超过门限，则保留未公示的原始密钥。
[0053] 具体地，步骤S8中，得到最终安全密钥之前，需要对剩下的密钥串进行纠错和保密放大操作。
[0054] 进一步地，原始的MDI-QKD协议的密钥率计算公式为：
[0055]
[0056] 其中，Qrect和Erect表示rect基下的增益和量子误码率；和 可以通过诱骗态的方法估计其值，f(Erect)＞1为错误
纠正率函数，H(x)＝-xlog2(x)-(1-x)log2(1-x)为香农熵函数； 表示在MDI－QKD中斜极化基下的单光子脉冲的错误率； 表示水平垂直基的强度为uv的光脉冲的错误率，u为Alice发送的光脉冲的强度，v为Bob发送的光脉冲的强度。
[0057] 在通信双方Alice1和Bob准备
相位随机化的弱相关脉冲时(WCP)，且通信过程中不存在窃听者，总增益与QBER可以写成如下形式：
[0058]
[0059]
[0060]
[0061]
[0062] 其中， 和 分别表示正确和错误贝尔态测量下的增益，I0(·)是一阶修正贝塞-ω/4尔函数，ed是误差率，pd是暗计数率，e0＝1/2，ω＝μηα+νηb， y＝(1-pd)e ，ηα＝ηb＝10-αL/10为信道的传输效率。
[0063] 进一步地，结合量子隐形传态传送过程中的保真度，基于量子网络的MDI-QKD协议的增益和量子误码率可表示为：
[0064]
[0065]
[0066]
[0067] 其中， 表示Alice和Bob在rect基下发送强度为u和v的光脉冲的增益； 表示Alice1和Bob在rect基下发送强度为u和v的光脉冲的增益； 表示Alice和Bob在rect基下发送强度为u和v的光脉冲的错误率； 表示Alice1和Bob在rect基下发送强度为u和v的光脉冲的错误率； 表示量子网络中斜极化基的单光子脉冲的错误率，其右上标xx’代表Alice和Bob同时使用斜极化基，该量子网络包括隐形传态和MDI－QKD； 表示斜极化基的强度为uv的光脉冲的错误率，其右上标xx代表Alice1和Bob同时使用斜极化基；u为Alice发送的光脉冲的强度；v为Bob发送的光脉冲的强度；Fn表示Alice传送给Alice1的量子态的保真度；由上述公式可以看出，针对于量子隐形传态中的保真度Fn，隐形传态数目n及纠缠度会影响该协议的性能。在相同纠缠度和密钥率的情况下，随着隐形传态的节点数n的增大，协议的相对传输距离在逐渐减小；在隐形传态的节点数n和密钥率相同的情况下，随着隐形传态时W态的纠缠度的降低，协议的相对传输距离也在逐渐减小。
[0068] 本发明在将量子网络中量子隐形传态应用到MDI-QKD协议后，在较小牺牲密钥率的情况下可以大幅度的提升MDI-QKD协议合法通信用户的安全通信距离。
[0069] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、
修改、替换和变型，本发明的范围由所附
权利要求及其等同物限定。
