优化和实施有效和通用量子密钥分发

文摘

由于量子密钥分发(QKD)可以提供证明无条件安全性由量子力学的基本定律,它吸引了越来越多的关注在过去的三十年里。然而,它的低比特率不能满足现代应用程序的需求。为了解决这个问题,最近,一种有效的和通用QKD协议提出了基于混沌加密技术和中间件技术,有效地增加底层QKD系统的比特率。然而,我们发现这个协议不考虑一些错误,和一个错误可能导致协议的失败。在本文中,我们给出一个优化的协议和BB84 QKD平台上部署它。实验结果表明,优化后的版本提供了阻力位与原始版本错误。位生成的统计特性是完全使用不同的评估方法。评价结果证明该协议可以生成与杰出的部分属性。

1。介绍

量子密钥分发(QKD)发明的班纳特和1984年臂章1),是一个技术两个合法的用户之间共享密钥,爱丽丝和鲍勃。自量子力学法则保证密钥完全秘密偷听者,夏娃(2),它已经吸引了广泛的关注,近年来提出了许多先进的作品(3,4]。尤其是Micius量子卫星的成功发射5]证明了全球量子通信时代的到来。尽管这些发展,现有QKD系统的比特率不能满足高速应用的要求(6]。许多研究社区,致力于解决这个问题,近年来提出了和一些高级协议(7,8]。然而,这些协议既不高效足以适应现代应用程序也不兼容不同QKD协议或光学平台。

要解决这些问题,最近,江泽民等人提出了一个高效、通用量子密钥分发(EUQKD)协议(9基于混沌加密技术和中间件技术。它使用一个混沌伪随机位发生器(PRBG)作为中间件,直接QKD平台上部署。中间件最初需要位平台作为输入,生成的混沌系统,定期更新,有效地生成字符串。通过使用PRBG, EUQKD提高底层QKD系统的比特率,导致更高的效率。利用中间件技术,它把密码系统不同层和隔离的细节QKD平台的用户,导致更好的兼容性。和EUQKD可以很容易地由软件或硬件实现。

然而,我们发现EUQKD并不考虑一些错误。由于信道噪声的影响或夜的攻击,常见的错误生成的碎片。如果Alice和Bob使用一组位更新input-sensitive中间件,即使只有一个错误在这些碎片,执行结果将完全不同,导致沟通的失败。为了解决这个问题,在这篇文章中,我们优化EUQKD协议,为其提供的能力抵抗一些错误通过检查执行结果的一部分。然后,我们部署一个偏振状态QKD平台,实现优化的协议。实验结果展示,与原始版本相比,该方案达到更好的性能误差方面的阻力。我们也使用不同的方法来评估统计属性生成的碎片。评价结果表明,该协议可以有效地优化输出位杰出的性能。

本文的组织结构如下:首先给出简要回顾EUQKD协议,其次是分析协议的问题,引入优化方案,实现在BB84 QKD平台。然后,生成的位评估的统计特性不同的方法。最后,给出一个简短的结论。

2。回顾EUQKD

如图1(一),EUQKD可分为三层。底层是一个QKD平台,中间层是chaos-based PRBG,和上面层是一个软件应用程序,实现了加密,解密和通信组件之间传输消息两个合法用户。

EUQKD协议的核心是中间层;它包含两个分段线性混沌映射(PLCMs)定义如下: 在哪里 被称为初始条件和 被称为控制参数。有些字符串可以通过迭代PLCM根据生成 。绘制图1 (b),中间一层运行如下:(1)爱丽丝随机选择初始条件 , 和控制参数 , ,用QKD比特加密,将密文发送给鲍勃。然后,爱丽丝和鲍勃PLCMs与所选择的参数进行初始化。(2)爱丽丝和鲍勃迭代PLCMs生成两组迭代的结果 , ( 被丢弃的安全),在哪里是迭代的上界。然后,他们构建两个整数 与QKD比特,XOR的尾数部分行动和获得一组位(Cbits)。爱丽丝和鲍勃重复这一步骤次,然后跳到下一步。(3)Alice和Bob使用QKD位构造四个整数 并选择 作为和(如果 )并选择 作为和(如果 )更新他们的PLCMs。(4)爱丽丝和鲍勃重复步骤2和3,直到他们产生足够Cbits用于加密和解密的秘密消息。

中间隔离层底层实现兼容性;它可以很容易地实现了软件和硬件,可以迅速部署在任何QKD平台。它还需要QKD Cbits比特作为输入,并有效地输出,从而导致更高的效率。

3所示。优化和实现EUQKD

3.1。优化EUQKD

物理层EUQKD显著提高了效率;然而,它并不考虑一些错误。一般来说,(QKD协议由量子和经典的部分10]。在前一部分,Alice和Bob生成一组位(原始密钥)的准备和测量光子状态。然后,他们选择广播他们的基础。对于每个生成的原始的关键,如果爱丽丝的是一样的鲍勃的基础,它是存储为筛选键;否则,它就会被丢弃。由于信道噪声和夏娃的攻击,在筛选键,可能存在一些错误和信息筛选的关键的一部分可能会泄露。因此,Alice和Bob需要执行的经典部分,即。,后处理11),纠正错误和覆盖信息泄漏。他们第一次运行第一步称为参数估计(12)来估计筛选关键的错误率。第二步,即。,the key reconciliation [13),使用估计错误率作为输入来纠正错误。最后,他们运行隐私放大(14封面)一步泄露信息。

现有和解的关键算法,如信仰传播(15,16],慢吞吞地信念传播[17),层信仰传播(18,19)等,使用分段函数来提取有用的信息从爱丽丝综合症纠正鲍勃QKD碎片。为了避免信息泄漏,这些信息不准确、可靠。因此,可能会有一些错误后键和解。根据EUQKD协议,如果一个错误影响到第二步,它将导致Cbits 52字节错误(IEEE 754标准代表了一个双精度浮点数的形式 )。我们知道,混沌系统对初始条件敏感和控制参数。如图2的迭代结果PLCM (1)非常接近初始条件和控制参数是完全不同的。因此,如果这个错误影响了第三步,它将导致协议的失败。为了解决这个问题,我们优化EUQKD协议如下:(1)爱丽丝随机选择初始条件 , 和控制参数 , ,用QKD比特加密,将密文发送给鲍勃。然后,爱丽丝和鲍勃PLCMs与所选择的参数进行初始化。(2)爱丽丝和鲍勃迭代PLCMs生成两组迭代的结果 , 。然后,他们在古典频道和广播的一部分结果计算错误率。如果错误率超过阈值,跳转到步骤1。(3)他们构造两个整数 与QKD碎片。如果选择迭代的结果或一直播放,他们选择下一次迭代结果,直到他们发现一个迭代的结果还没有播放。然后,他们行动XOR的尾数部分两个迭代结果获得一组Cbits。爱丽丝和鲍勃重复这一步骤次,然后跳到下一步。(4)Alice和Bob使用QKD位构造四个整数 并选择 作为和(如果 )并选择 作为和(如果 )更新他们的PLCMs。(5)爱丽丝和鲍勃重复步骤2、3和4,直到他们产生足够Cbits用于加密和解密的秘密消息。

显然,在每一轮优化的协议,“爱丽丝”和“鲍勃”核对检查迭代结果的一部分。因为PLCM (1)是对初始条件和控制参数敏感,他们可以很容易地检测失败。如果协议失败,他们会随机选择一组参数同步PLCMs。这可以避免失败的协议,保证用户可以产生足够的比特加密和解密,即使存在错误位在QKD位。与原协议相比,优化后的方案,因此,达到更高的鲁棒性。尽管合法用户广播抵御一些错误的迭代结果的一部分,这些迭代结果不是用于生成密钥。和许多论文已经证明数字混沌PRBG偷听者无法打破,即使他获得迭代结果的一部分20.- - - - - -22]。因此,窃听者无法获得有用的信息在沟通。

3.2。实现EUQKD

本文基于偏振状态的BB84 QKD平台部署为物理层。光学平台的设置如图3。爱丽丝可以控制四个激光发送水平,垂直, ,和极化脉冲,这是表示 , , ,和 ,分别。因为这些脉冲的强度可能不同,我们首先减弱他们相同的水平。然后,脉冲组合由两个偏振光束分割(pbs)保证之间的正交性和脉冲之间的正交性和脉冲。手动偏振控制器调整之间的角度和脉冲之间的角度和脉冲 。最后,所有脉冲组合由一个分束器(BS)、减单光子水平,送给鲍勃通过量子通道。在鲍勃的光学平台,首先通过 BS随机选择测量的基础上。由于光纤可能改变光子的状态,两个手动偏振控制器是用来调整状态。在我们的平台,只有一个单光子探测器(SPD)部署。自四个州 被延迟区分不同长度、社民党可以根据时间来确定状态标签的测量。

我们在光学平台和运行BB84协议生成30集的筛选键。然后,我们使用后处理算法提出了裁判。23)来处理生成筛选键。生成的错误率筛选键和参数估计的结果绘制在图4(一)。生成的错误率QKD位图所示4 (b)。

因为生成的QKD比特的误比特率非常低,我们稍微改变鲍勃的QKD位并使用QKD位更新爱丽丝和鲍勃PLCMs。我们为10000次模拟这个过程,和所有的错误检测到第二步优化的协议。我们的协议,因此,能够抵抗一些错误。

4所示。统计评估

在本节中,我们评估的统计特性生成Cbits方面的一致性和相关性。Cbits应该显示出完美的一致性;否则,夏娃可能从密文中提取一些信息。评估的统一性,我们设置轮100年,迭代的上限设置为1000,100次运行该协议。迭代结果的分布、控制参数和初始条件是数据绘制5(一个)- - - - - -5 (c),分别。显然,结果显示完美的均匀性。

评估相关生成的位,首先,汉明距离和皮尔逊相关系数计算(24]。两个二进制序列 和 ,汉明距离 可以计算如下:

如果和是两个真正随机的序列, 该方法0.5。两个整数序列 和 ,皮尔逊相关系数的计算可以根据以下方程: 在哪里和的平均值吗和 ,分别。如果和是不相关的, 应该接近0。我们生成20双Cbits。每一对的汉明距离Cbits图所示6(一)。然后,我们生成20条Cbits建设20条整数序列。皮尔逊相关系数的每一对整数序列绘制在图6 (b)。

第二,我们计算Cbits生成的自相关和互相关的两条Cbits生成初始条件非常接近。结果在数字6 (c)和6 (d),分别。显然,结果证明生成的Cbits杰出的相关性属性。

5。图像加密和解密

在本节中,我们使用图像加密进一步评估Cbits的统计特性。首先,直方图分析方法被用来评估的一致性产生碎片。如图7(一),我们选择一个 灰度图像的简单形象。平原的直方图图像绘制在图7 (b)。然后,我们生成一组Cbits平原和加密图像。密码的图像及其直方图绘制在图7 (c)和7 (d),分别。显然,生成的均匀隐藏信息的普通图像。直方图的方差可以计算根据以下方程: 在哪里和图像的宽度和高度,是像素的灰度值的数量等于什么 ,和 是图像的灰度值向量。方差值越高表示图像的均匀性低。平原和密文图像的方差是66200和272.53,分别。生成的Cbits,因此,展示完美的一致性属性。

一般来说,两个相邻像素在图像显示强烈的相关性。因此,我们分析两个相邻像素之间的相关性在平原和密文图像评价的相关性属性Cbits生成。我们随机选择1000对两个水平,垂直,对角相邻像素。数据8(一个)- - - - - -8 (c)情节的分布两个水平、垂直和对角相邻像素在平原中选择图像。和数字8 (d)- - - - - -8 (f)目前分布的两个水平、垂直和对角相邻像素在密码中选择图像。显然,普通图像decorrelated生成的碎片。

相邻像素的皮尔森相关系数如表所示1。显然,普通图像的相邻像素选择是高度相关的。有微不足道的相邻像素之间的相关性从密文中选择图像。生成的部分,因此,展示优秀的相关性属性。

一个设计良好的密码体制,灵敏度高的关键是还要求,即。,Eve cannot obtain any information of the plain image, even if she uses a key which is very close to the correct key to decrypt the plain image. To evaluate the key sensitivity, we select a set of initial conditions and control parameters as the key to synchronize Alice’s and Bob’s PLCMs, use a set of QKD bits to generate Cbits to encrypt the plain image, and plot the cipher image in Figure9(一个)。然后,我们使用正确的密钥和QKD位生成Cbits,解密图像解密密文图像,显示在图9 (b)。最后,我们稍微改变的关键,使用密钥和QKD位改为生成Cbits,解密密码形象,画解密后的图像如图9 (c)。

皮尔森的加密和解密图像之间的相关系数如表所示2。显然,夜不能获得任何信息即使她获得一个关键这是非常接近正确的键,从而证明关键灵敏度高我们的协议。

6。结论

EUQKD有效改善底层QKD平台的效率;然而,它并不考虑一些错误,这可能导致协议的失败。在本文中,我们优化EUQKD避免一些错误,实现协议BB84 QKD平台。实验结果表明,该优化协议大大降低错误比特的影响和有效地生成Cbits与杰出的统计特性。

数据可用性

所有生成的数据或分析在这个研究包含在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关这篇文章的出版。

确认

本研究为江苏省自然科学基金资助(没有。BK20190297)和安徽省自然科学基金(没有。1708085 qf157)。

引用

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