本发明涉及量子保密通信技术领域，具体地，涉及一种基于连续变量的测量设备无关量子密钥分发方法及系统。尤其地，涉及一种基于连续变量相干态实现的测量设备无关量子密钥分发方法，该方法采用基于离散调制密集编码的相位匹配方法进行量子密钥分发。
背景技术：
连续变量量子密钥分发技术可以利用相干检测的方法，使得相距较远的两个通信方实现具备信息论安全的密钥分发。由于连续变量量子密钥分发技术继承了经典相干光通信的诸多优势，具有更高的信道容量和与经典光通信的融合性，该技术得到了世界上许多主流量子密码研究机构的广泛关注。至今各国研究者针对连续变量量子密钥分发提出了各种各样的协议，其中应用最广泛的是高斯调制相干态连续变量量子密钥分发协议，该协议在理论上已经被证明是无条件安全的。目前连续变量量子密钥分发技术成为整个量子保密通信技术的一个重要分支，而且市场上已经出现了商用产品，已经朝着产业化的方向迈进。
然而虽然高斯调制相干态连续变量量子密钥分发已经在理论上证明了其安全性，但系统的各种实际器件的非理想性会引入实际安全性漏洞及相关攻击，如本振抖动攻击、校准攻击、波长攻击等，从而会使得系统运行不再具有理论上描述的无条件全性。为去除这种实际安全性漏洞，有研究者提出了连续变量测量设备无关量子密钥分发(cv-mdi-qkd)方案，可去除测量方不完善等因素引入的实际安全性问题。然而这类方案在实际运行时，如要产生有效安全密钥，要求使用的连续变量量子相干检测的效率达到近乎理想的条件，这极大限制了cv-mdi-qkd的实际应用推广。事实上，至今都几乎没有一个真正实际实现的cv-mdi-qkd实验的报道。
专利文献cn111404681a(申请号：202010176435.7)公开了一种连续变量测量设备无关量子密钥分发方法、系统及介质，包括：步骤a：根据频偏估计技术，并借助导频信号对合法双方与中间方之间的频偏进行估计，实现频偏补偿；步骤b：根据相位估计技术，并根据合法双方公开的数据，计算与中间方接收数据间的相关系数，估计出各自信道所引入的相位漂移，实现量子信号的相位补偿。
技术实现要素：
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于连续变量的测量设备无关量子密钥分发方法及系统。
根据本发明提供的基于连续变量的测量设备无关量子密钥分发方法，包括：
步骤s1：分别在发送端和接收端进行量子信号制备与编码，得到发送端和接收端的量子信号(xa,pa)和(xb,pb)；
步骤s2：分别将发送端和接收端的量子信号传输至测量端，对量子信号进行干涉，并将干涉后的量子信号进行检测，得到测量值xc及pd；
步骤s3：对测量后的量子信号进行解码；
步骤s4：根据发送端和接收端的量子信号(xa,pa)和(xb,pb)以及测量得到的测量值xc及pd，进行参数评估；
步骤s5：根据解码后的量子信号进行数据协商，根据参数评估结果进行保密增强。
优选的，所述步骤s1包括：
步骤s1.1：根据发送端和接收端的二进制真随机数发生器分别得到两比特真随机数串r1和r2；
步骤s1.2：根据两比特真随机数r1和r2选择编码相干态量子信号；
步骤s1.3：通过可调衰减器调整发送端和接收端的相干态量子信号强度，并进行最优化，得到安全密钥率。
优选的，所述步骤s1.2包括：
当两比特真随机数串为00时，则选择相干态|α>，定义为x基态；
当两比特真随机数串为01时，则选择相干态|αeπi/2>，定义为p基态；
当两比特真随机数串为10时，则选择相干态|αe3πi/2>，定义为p基态；
当两比特真随机数串为11时，则选择相干态|αeπi>，定义为x基态；
其中，α是相干态量子信号的幅值，i表示虚数单位。
优选的，所述步骤s2包括：
步骤s2.1：在发送端和接收端同时将完成编码的量子信号通过量子信道发送给测量端；
步骤s2.2：通过光分束器在测量端对量子信号进行干涉；
步骤s2.3：对干涉后的量子信号进行相干检测，分别得到测量值xc及pd。
优选的，所述发送端和接收端将密钥信息编码在相互匹配的连续变量信号的离散相位上，通过预设低效率的量子零差检测器进行测量设备无关量子密钥分发。
优选的，所述步骤s3包括：
步骤s3.1：发送端和接收端分别保存测量值xc及pd分别满足预设条件对于自身选择x基态时或对于自身选择p基态时的两比特真随机数串r1和r2，将满足预设判决条件的两比特真随机数串r1和r2记为ka和kb；
步骤s3.2：当发送端和接收端的两比特真随机数串r1对应选择的都为p基态时，接收端翻转kb比特，发送端和接收端形成一致密钥比特k及k’；
步骤s3.3：发送端和接收端各自保留不满足ka和kb的不同基态的相干态量子信号，并将发送端不满足ka的不同基态的相干态量子信号记为(xa,pa)，将接收端不满足kb的不同基态的相干态量子信号记为(xb,pb)。
优选的，测量值xc及pd分别满足的预设条件为：
{xc∈r:-δc≤xc≤δc}
{pd∈r:-δd≤pd≤δd}
其中，r表示实数；xc表示测量端通过量子零差检测器检测的量子信号的x分量；δc表示检测的x分量的判决门限，通过判断测量端公布的结果是否满足判决门限范围，发送端和接收端各自判断当前制备和编码的量子信号是否符合产生有效密钥的条件；下标c表示量子零差测量器检测的量子信号模为c；pd表示测量端通过量子零差检测器检测的量子信号的p分量；δd表示检测的p分量的判决门限。
优选的，所述步骤s5包括：
步骤s5.1：通过经典信道，发送端和接收端两方对产生的密钥比特k及k’进行协商，得到一致的比特串；
步骤s5.2：根据参数评估得到参数计算压缩因子，对得到的比特串进行保密增强操作，最终得到一串共享的安全密钥。
优选的，所述参数评估包括：评估通信过程中的信道过噪声及信道透过率，评估泄露的信息量和合法方的互信息量；根据上述参数评估，判断密钥率是否大于零，即合法方能否获取安全密钥，当密钥率小于零，则放弃通信，重新开始。
根据本发明提供的基于连续变量的测量设备无关量子密钥分发系统，包括：
模块m1：分别在发送端和接收端进行量子信号制备与编码，得到发送端和接收端的量子信号(xa,pa)和(xb,pb)；
模块m2：分别将发送端和接收端的量子信号传输至测量端，对量子信号进行干涉，并将干涉后的量子信号进行检测，得到测量值xc及pd；
模块m3：对测量后的量子信号进行解码；
模块m4：根据发送端和接收端的量子信号(xa,pa)和(xb,pb)以及测量得到的测量值xc及pd，进行参数评估；
模块m5：根据解码后的量子信号进行数据协商，根据参数评估结果进行保密增强。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明不同于之前的cv-mdi-qkd协议，本发明由于采用了基于离散调制的相位匹配编码方法，因此会直接产生离散化的二进制原始密钥，因此可以直接借助现有的基于离散变量技术的后处理算法方法进行协商和保密增强处理，降低了现有cvqkd系统的实现复杂度，从后处理的角度提升了系统性能；
2、本发明采用离散相位匹配的方法，具有更低的必要检测效率(必要检测效率是指在特定传输距离下能获取安全密钥率所需要的最低量子零差检测器效率)，因此该协议在实际较低检测器效率，如检测效率0.6的情况下依然可以获取安全密钥，但传统的高斯调制相干态cv-mdi-qkd无法获取安全密钥；
3、本发明基于密集编码的相位匹配的连续变量测量设备无关量子密钥分发方法，即不公布基选择信息而作为一个比特密钥信息，与已有的相位匹配连续变量测量设备无关量子密钥分发方法项目，具有更高的信道容量，更简单的实现步骤，具有更高的安全密钥率。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明基于相位匹配的连续变量测量设备无关量子密钥分发方法原理图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于相位匹配的连续变量测量设备无关量子密钥分发方法，其用于解决现有高斯调制相干态cv-mdi-qkd对量子平衡零差检测器效率要求太高而导致现实实现严重受限的问题。
实施例：
如图1，根据本发明提供的一种基于连续变量的测量设备无关量子密钥分发方法，包括：
步骤m1：发送端和接收端进行量子信号制备与编码，得到发送端和接收端的量子信号(xa,pa)和(xb,pb)；
步骤m2：发送端和接收端将量子信号传递至测量端，测量端对量子信号进行干涉，并将干涉后的量子信号进行检测，得到测量值xc及pd；
步骤m3：对检测后的量子信号进行信息解码；
步骤m4：根据发送端和接收端保存的制备量子信号(xa,pa)和(xb,pb)以及测量方公开的对应的测量值xc及pd进行参数评估；
步骤m5：根据解码的量子信号进行数据协商及根据参数评估进行保密增强。
具体地，所述步骤m1包括：
步骤m1.1：根据发送端和接收端的二进制真随机数发生器分别得到两比特真随机数串r1和r2；
步骤m1.2：发送端和接收端分别根据两比特真随机数r1和r2选择编码相干态量子信号；
步骤m1.3：发送端和接收端分别通过可调衰减器调整各自相干态量子信号强度，最优化最终产生的安全密钥率。
优选地，所述步骤m1.2包括：发送端(接收端)根据两比特真随机数r1(r2)中随机数选择编码量子态。当两比特真随机数r1(r2)为00时，则选择相干态|α>(定义为x基态)；当两比特真随机数r1(r2)为01时，则选择相干态|αeπi/2>(定义为p基态)；当两比特真随机数r1(r2)为10时，则选择相干态|αe3πi/2>(定义为p基态)；当两比特真随机数r1(r2)为11时，则选择相干态|αeπi>(定义为x基态)，其中，α是相干态量子信号的幅值，i表示虚数单位。
具体地，所述步骤m2包括：
步骤m2.1：发送端和接收端同时将完成编码的量子信号通过量子信道发送给测量端；
步骤m2.2：测量端通过光分束器对量子信号进行干涉；
步骤m2.3：对干涉后的量子信号进行相干检测，分别得到测量值xc及pd。
优选地，所述步骤m2.3包括：所述发送端和接收端将密钥信息编码在相互匹配的连续变量信号的离散相位上，而且测量端信息的公布不会泄露密钥信息，利用预设低效率的量子零差检测器实现测量设备无关量子密钥分发，分别得到测量值xc及pd。
具体地，所述步骤m2.3包括：所述发送端和接收端将密钥信息编码在相互匹配的连续变量信号的离散相位上，而且测量端信息的公布不会泄露密钥信息，利用现实可用的低效率的量子零差检测器实现测量设备无关量子密钥分发，分别得到测量值xc及pd。利用检测器获得xc及pd，但是xc及pd并不是密钥，只是用来帮助发送和接收端建立关联的共享密钥所需要用到的结果，检测方会进行公布。
具体地，所述步骤m3包括：
步骤m3.1：发送端和接收端分别保存测量值xc及pd分别满足对于自身选择x基态时{xc∈r:-δc≤xc≤δc}或对于自身选择p基时{pd∈r:-δd≤pd≤δd}的r1和r2，分别将满足上述判决条件的发送端和接收端随机数串r1和r2记为ka和kb；
其中，r表示实数，xc表示测量方通过hom量子零差检测器检测的量子信号的x分量，δc表示检测的x分量的判决门限，即通过判断测量方公布的结果是否满足判决门限范围，发送方和接收方各自判断他们当前制备和编码的信号是否可以产生有效密钥，下标c表示hom量子零差测量器检测的量子信号模为c，pd表示测量方通过hom量子零差检测器检测的量子信号的p分量，δd表示检测的p分量的判决门限；
步骤m3.2：当发送端和接收端随机数串r1对应选择的都为p基态时，接收端翻转kb比特，发送端和接收端形成一致密钥比特k及k’；
步骤m3.3：发送端和接收端各自保留不满足ka和kb的不同基的相干态量子信号，并将发送端不满足ka的不同基的相干态量子信号记为(xa,pa)，将接收端不满足kb的不同基的相干态量子信号记为(xb,pb)。
具体地，所述步骤m4包括：发送端和接收端根据保存的制备量子信号(xa,pa)和(xb,pb)以及测量方公开的对应的测量值xc及pd进行信道过噪声及透过率参数评估。
具体地，所述步骤m5包括：
步骤m5.1：通过经典信道，发送端和接收端两方对产生的密钥比特k及k’进行协商，得到一致的比特串；
步骤m5.2：根据参数评估得到参数计算压缩因子，对得到的比特串进行保密增强操作，最终得到一串共享的安全密钥。
具体地，所述参数评估包括：评估通信过程中的信道过噪声及信道透过率，评估泄露的信息量和合法方的互信息量；根据上述参数评估，判断密钥率是否大于零，即合法方是否能获取安全密钥，当密钥率小于零，则放弃通信，重新开始。
根据本发明提供的一种基于连续变量测量设备无关量子密钥分发系统，包括：
模块m1：发送端和接收端进行量子信号制备与编码，得到发送端和接收端的量子信号(xa,pa)和(xb,pb)；
模块m2：发送端和接收端将量子信号传递至测量端，测量端对量子信号进行干涉，并将干涉后的量子信号进行检测，得到测量值xc及pd；
模块m3：对检测后的量子信号进行信息解码；
模块m4：根据发送端和接收端保存的制备量子信号(xa,pa)和(xb,pb)以及测量方公开的对应的测量值xc及pd进行参数评估；
模块m5：根据解码的量子信号进行数据协商及根据参数评估进行保密增强。
具体地，所述模块m1包括：
模块m1.1：根据发送端和接收端的二进制真随机数发生器分别得到两比特真随机数串r1和r2；
模块m1.2：发送端和接收端分别根据两比特真随机数r1和r2选择编码相干态量子信号；
模块m1.3：发送端和接收端分别通过可调衰减器调整各自相干态量子信号强度，最优化最终产生的安全密钥率。
优选地，所述模块m1.2包括：发送端(接收端)根据两比特真随机数r1(r2)中随机数选择编码量子态。当两比特真随机数r1(r2)为00时，则选择相干态|α>(定义为x基态)；当两比特真随机数r1(r2)为01时，则选择相干态|αeπi/2>(定义为p基态)；当两比特真随机数r1(r2)为10时，则选择相干态|αe3πi/2>(定义为p基态)；当两比特真随机数r1(r2)为11时，则选择相干态|αeπi>(定义为x基态)，其中，α是相干态量子信号的幅值，i表示虚数单位。
具体地，所述模块m2包括：
模块m2.1：发送端和接收端同时将完成编码的量子信号通过量子信道发送给测量端；
模块m2.2：测量端通过光分束器对量子信号进行干涉；
模块m2.3：对干涉后的量子信号进行相干检测，分别得到测量值xc及pd。
优选地，所述模块m2.3包括：所述发送端和接收端将密钥信息编码在相互匹配的连续变量信号的离散相位上，而且测量端信息的公布不会泄露密钥信息，利用预设低效率的量子零差检测器实现测量设备无关量子密钥分发，分别得到测量值xc及pd。
具体地，所述模块m2.3包括：所述发送端和接收端将密钥信息编码在相互匹配的连续变量信号的离散相位上，而且测量端信息的公布不会泄露密钥信息，利用现实可用的低效率的量子零差检测器实现测量设备无关量子密钥分发，分别得到测量值xc及pd。利用检测器获得xc及pd，但是xc及pd并不是密钥，只是用来帮助发送和接收端建立关联的共享密钥所需要用到的结果，检测方会进行公布。
具体地，所述模块m3包括：
模块m3.1：发送端和接收端分别保存测量值xc及pd分别满足对于自身选择x基态时{xc∈r:-δc≤xc≤δc}或对于自身选择p基时{pd∈r:-δd≤pd≤δd}的r1和r2，分别将满足上述判决条件的发送端和接收端随机数串r1和r2记为ka和kb；
其中，r表示实数，xc表示测量方通过hom量子零差检测器检测的量子信号的x分量，δc表示检测的x分量的判决门限，即通过判断测量方公布的结果是否满足判决门限范围，发送方和接收方各自判断他们当前制备和编码的信号是否可以产生有效密钥，下标c表示hom量子零差测量器检测的量子信号模为c，pd表示测量方通过hom量子零差检测器检测的量子信号的p分量，δd表示检测的p分量的判决门限；
模块m3.2：当发送端和接收端随机数串r1对应选择的都为p基态时，接收端翻转kb比特，发送端和接收端形成一致密钥比特k及k’；
模块m3.3：发送端和接收端各自保留不满足ka和kb的不同基的相干态量子信号，并将发送端不满足ka的不同基的相干态量子信号记为(xa,pa)，将接收端不满足kb的不同基的相干态量子信号记为(xb,pb)。
具体地，所述模块m4包括：发送端和接收端根据保存的制备量子信号(xa,pa)和(xb,pb)以及测量方公开的对应的测量值xc及pd进行信道过噪声及透过率参数评估。
具体地，所述模块m5包括：
模块m5.1：通过经典信道，发送端和接收端两方对产生的密钥比特k及k’进行协商，得到一致的比特串；
模块m5.2：根据参数评估得到参数计算压缩因子，对得到的比特串进行保密增强操作，最终得到一串共享的安全密钥。
具体地，所述参数评估包括：评估通信过程中的信道过噪声及信道透过率，评估泄露的信息量和合法方的互信息量；根据上述参数评估，判断密钥率是否大于零，即合法方是否能获取安全密钥，当密钥率小于零，则放弃通信，重新开始。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
1.一种基于连续变量的测量设备无关量子密钥分发方法，其特征在于，包括：
步骤s1：分别在发送端和接收端进行量子信号制备与编码，得到发送端和接收端的量子信号(xa,pa)和(xb,pb)；
步骤s2：分别将发送端和接收端的量子信号传输至测量端，对量子信号进行干涉，并将干涉后的量子信号进行检测，得到测量值xc及pd；
步骤s3：对测量后的量子信号进行解码；
步骤s4：根据发送端和接收端的量子信号(xa,pa)和(xb,pb)以及测量得到的测量值xc及pd，进行参数评估；
步骤s5：根据解码后的量子信号进行数据协商，根据参数评估结果进行保密增强。
2.根据权利要求1所述的基于连续变量的测量设备无关量子密钥分发方法，其特征在于，所述步骤s1包括：
步骤s1.1：根据发送端和接收端的二进制真随机数发生器分别得到两比特真随机数串r1和r2；
步骤s1.2：根据两比特真随机数r1和r2选择编码相干态量子信号；
步骤s1.3：通过可调衰减器调整发送端和接收端的相干态量子信号强度，并进行最优化，得到安全密钥率。
3.根据权利要求2所述的基于连续变量的测量设备无关量子密钥分发方法，其特征在于，所述步骤s1.2包括：
当两比特真随机数串为00时，则选择相干态|α>，定义为x基态；
当两比特真随机数串为01时，则选择相干态|αeπi/2>，定义为p基态；
当两比特真随机数串为10时，则选择相干态|αe3πi/2>，定义为p基态；
当两比特真随机数串为11时，则选择相干态|αeπi>，定义为x基态；
其中，α是相干态量子信号的幅值，i表示虚数单位。
4.根据权利要求1所述的基于连续变量的测量设备无关量子密钥分发方法，其特征在于，所述步骤s2包括：
步骤s2.1：在发送端和接收端同时将完成编码的量子信号通过量子信道发送给测量端；
步骤s2.2：通过光分束器在测量端对量子信号进行干涉；
步骤s2.3：对干涉后的量子信号进行相干检测，分别得到测量值xc及pd。
5.根据权利要求1所述的基于连续变量的测量设备无关量子密钥分发方法，其特征在于，所述发送端和接收端将密钥信息编码在相互匹配的连续变量信号的离散相位上，通过预设低效率的量子零差检测器进行测量设备无关量子密钥分发。
6.根据权利要求3所述的基于连续变量的测量设备无关量子密钥分发方法，其特征在于，所述步骤s3包括：
步骤s3.1：发送端和接收端分别保存测量值xc及pd分别满足预设条件对于自身选择x基态时或对于自身选择p基态时的两比特真随机数串r1和r2，将满足预设判决条件的两比特真随机数串r1和r2记为ka和kb；
步骤s3.2：当发送端和接收端的两比特真随机数串r1对应选择的都为p基态时，接收端翻转kb比特，发送端和接收端形成一致密钥比特k及k’；
步骤s3.3：发送端和接收端各自保留不满足ka和kb的不同基态的相干态量子信号，并将发送端不满足ka的不同基态的相干态量子信号记为(xa,pa)，将接收端不满足kb的不同基态的相干态量子信号记为(xb,pb)。
7.根据权利要求6所述的基于连续变量的测量设备无关量子密钥分发方法，其特征在于，测量值xc及pd分别满足的预设条件为：
{xc∈r:-δc≤xc≤δc}
{pd∈r:-δd≤pd≤δd}
其中，r表示实数；xc表示测量端通过量子零差检测器检测的量子信号的x分量；δc表示检测的x分量的判决门限，通过判断测量端公布的结果是否满足判决门限范围，发送端和接收端各自判断当前制备和编码的量子信号是否符合产生有效密钥的条件；下标c表示量子零差测量器检测的量子信号模为c；pd表示测量端通过量子零差检测器检测的量子信号的p分量；δd表示检测的p分量的判决门限。
8.根据权利要求6所述的基于连续变量的测量设备无关量子密钥分发方法，其特征在于，所述步骤s5包括：
步骤s5.1：通过经典信道，发送端和接收端两方对产生的密钥比特k及k’进行协商，得到一致的比特串；
步骤s5.2：根据参数评估得到参数计算压缩因子，对得到的比特串进行保密增强操作，最终得到一串共享的安全密钥。
9.根据权利要求1所述的基于连续变量的测量设备无关量子密钥分发方法，其特征在于，所述参数评估包括：评估通信过程中的信道过噪声及信道透过率，评估泄露的信息量和合法方的互信息量；根据上述参数评估，判断密钥率是否大于零，即合法方能否获取安全密钥，当密钥率小于零，则放弃通信，重新开始。
10.一种基于连续变量的测量设备无关量子密钥分发系统，其特征在于，包括：
模块m1：分别在发送端和接收端进行量子信号制备与编码，得到发送端和接收端的量子信号(xa,pa)和(xb,pb)；
模块m2：分别将发送端和接收端的量子信号传输至测量端，对量子信号进行干涉，并将干涉后的量子信号进行检测，得到测量值xc及pd；
模块m3：对测量后的量子信号进行解码；
模块m4：根据发送端和接收端的量子信号(xa,pa)和(xb,pb)以及测量得到的测量值xc及pd，进行参数评估；
模块m5：根据解码后的量子信号进行数据协商，根据参数评估结果进行保密增强。
技术总结