基于LDPC的量子高斯密钥数据协调方案设计

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量子密钥分发(Quantum Key Distribution,简称为QKD)是二十多年来密码通信领域中迅速发展的一个学科。对比经典密码体系基于数学难题和计算复杂度来确保密钥安全,量子密钥分发通过量子力学中的测不准原理和量子不可克隆定理等物理性质来提供绝对安全性。根据信息的载体,QKD分为离散变量量子密钥分发(DQKD)和连续变量量子密钥分发(CVQKD)两种。采用单光子信源的DQKD尽管发展较早,在光源制备、探测效率上已落后于利用相干态光源和零差探测器的CVQKD,后者目前已成为量子通信领域中的研究热点之一。数据协调是量子密钥分发中的重要步骤,通信双方完成量子信道上的数据传输后,需要通过一个数据协调协议来去除窃听或信道噪声所引入的误码,在本质上是一个纠错过程。数据协调同时可以看作是一个非对称分布式信源编码过程,其通过对其中一个信源序列进行压缩,结合另一信源的全部信息进行联合译码,从而得到一条公共序列。信息的压缩和编码通过一个信道编码来实现,由于LDPC具有校验矩阵构造灵活,译码方式简单快速和压缩速率可调等特点,本文使用LDPC作为数据协调协议中的分量码。本文首先从信息论的角度分析量子密钥分发系统中的逆向协调部分,得出了其本质为服从Slepian-Wolf定理的分布式相关信源编解码过程这一结论。针对CVQKD系统中连续变量这一特殊情形,本文使用了分层校正协议(SEC)及多电平编码(MLC)、多级解码方案(MSD),建立了从相干态的高斯调制开始到逆向协调(Reverse Reconciliation)过程的数学模型,给出了连续变量最优量化区间,提出了基于LDPC码(Low Density Parity-Check Codes)的MSD的外信息/内信息,硬信息/软信息的概念,并导出了多级译码时级间信息迭代解码公式,通过实验给出了各级码率参数,并从实验上确定了这种算法对信道的最低信噪比要求,实验结果表明本方案的协调效率达到了92.3%。
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