專利名稱：使用具有環(huán)形結(jié)構(gòu)圖的ldpc碼的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及與通過有噪信道傳送的數(shù)據(jù)的差錯糾正有關(guān)的用于數(shù)據(jù)通信設(shè)備的 數(shù)據(jù)處 理裝置并且特別地但不是專門地涉及量子密鑰分發(fā)(QKD)方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
已經(jīng)開發(fā)了使得雙方能夠以具有檢測任何竊聽者的很高概率的方式共享隨機數(shù) 據(jù)的QKD方法和系統(tǒng)。這意味著如果沒有檢測到竊聽者則這些方能夠高度相信所共享的隨 機數(shù)據(jù)是秘密的。例如在US5，515，438、US5999285和GB 2427317 A中說明了 QKD方法和 系統(tǒng)。在許多已知的QKD系統(tǒng)例如BB84自由空間系統(tǒng)中，隨機偏振光子從發(fā)射設(shè)備發(fā)送到 接收設(shè)備。無論使用什么特定的QKD系統(tǒng)，QKD方法一般涉及通過量子信號信道把隨機數(shù)據(jù) 集從QKD發(fā)射器發(fā)送到QKD接收器，該QKD發(fā)射器和接收器然后借助于在它們之間通過不 安全的經(jīng)典通信信道交換的消息來分別處理經(jīng)由量子信號信道發(fā)射和接收的數(shù)據(jù)，從而導(dǎo) 出隨機數(shù)據(jù)集的公共子集。因為量子信號信道是有噪信道，所以對通過該信道接收的數(shù)據(jù) 的處理包括差錯糾正階段。然而，不能使用諸如使用線性塊碼來編碼/解碼數(shù)據(jù)之類的標 準技術(shù)來實現(xiàn)通過量子信號信道傳送的數(shù)據(jù)的差錯糾正，因為僅小部分的所發(fā)射光子會被 接收。代替地，對量子信號信道數(shù)據(jù)的差錯糾正依賴于通過經(jīng)典信道交換的消息，該經(jīng)典信 道要么是無差錯的要么通過使用標準差錯糾正技術(shù)而有效地使其無差錯。經(jīng)典通信信道不 需要是安全的，因為能夠使用隨機化技術(shù)來最小化泄露的信息。要明白，即使經(jīng)典信道是安 全的，它也不具備檢測竊聽者的屬性并因此不能替代量子信號信道。本發(fā)明涉及差錯糾正并且尤其能夠與糾正通過量子信號信道傳送的隨機數(shù)據(jù)有 關(guān)地使用。將線性塊碼用于實現(xiàn)對通過經(jīng)典通信信道傳送的數(shù)據(jù)的差錯糾正是眾所周知的。 簡而言之且如附圖的圖1中所描繪的，要通過有噪信道發(fā)送的消息被分成每個均為k個符 號的數(shù)據(jù)塊m——這些符號一般是二進制位，并且將在下文中假設(shè)如此，除非另外指出。每 個消息塊可以被方便地表示為k位的行向量m。在編碼器11中把每個消息塊編碼成對應(yīng) 的η位碼字(由行向量c表示)，其中η >k。從預(yù)定的碼字集(‘碼’ C)中選擇所用的碼 字C。對于k位的消息塊和η位的碼字而言，對應(yīng)的碼C被稱作(n，k)碼。在消息塊m被 編碼為對應(yīng)的碼字c后，該碼字由發(fā)射器13通過有噪信道10發(fā)送并且在遠端由接收器14 接收，接收器的輸出是η位接收的字(由行向量r表示)。如果通過信道10的傳輸沒有引 入差錯，則所接收的字r當然會對應(yīng)于所發(fā)射的碼字c并且解碼器12直截了當?shù)匕阉邮?的字r轉(zhuǎn)換回到原始消息塊m。然而通常，所接收的字r將不對應(yīng)于所發(fā)射的碼字c ；不過， 只要解碼器12知道編碼器11所使用的碼C并且差錯數(shù)量是有限的，則解碼器12就可能恢 復(fù)消息塊m。線性塊碼由發(fā)生器和奇偶校驗矩陣定義。特別地，線性塊碼C由其對應(yīng)的奇偶校 驗矩陣H的零空間定義并且碼C的每個碼字c與奇偶校驗矩陣H的轉(zhuǎn)置的乘積是零向量
c. Ht = 0附圖的圖2描繪了(7，3)線性碼塊的示例奇偶校驗矩陣氏。對應(yīng)于圖2奇偶校驗 矩陣H1的碼具有被稱為規(guī)則“低密度奇偶校驗”或“LDPC”碼的類型，該名稱反映了奇偶校 驗矩陣是稀疏矩陣的事實并且修飾語“規(guī)則”指示所有行都具有相同權(quán)重以及所有列也都 具有相同權(quán)重。LDPC碼特別適合用于大消息塊。所接收的字r與奇偶校驗矩陣的轉(zhuǎn)置的乘積被稱為r的差錯伴隨式(syndrome)， 這里由向量s表示S = r. Ht當然如果差錯伴隨式s為零，則所接收的字r是碼字C。實際上，奇偶校驗矩陣H的每行均定義為把所接收的字r判定為有效碼字c所接 收的字r必須滿足的約束。更特別地，每行指示(對于二進制符號而言)其值必須模2求 和為零的所接收的字r的位位置(bitposition)。以另一種方式來看，由奇偶校驗矩陣的每 行所指示的模2求和的結(jié)果產(chǎn)生差錯伴隨式的對應(yīng)位。由奇偶校驗矩陣H的各行定義的約束集能夠由稱為Tarmer圖的二分圖來圖形地 表示，該二分圖包括-第一組節(jié)點(在此稱作‘變量’節(jié)點并由字母‘V’指示)，每個節(jié)點對應(yīng)于輸入 變量(在本情況下是所接收的字r)的相應(yīng)位位置，-第二組節(jié)點(在此稱作‘和’節(jié)點并由非粗體字母‘S’指示)，每個節(jié)點對應(yīng)于 相應(yīng)的模2求和并因而對應(yīng)于奇偶校驗矩陣的相應(yīng)行，以及-邊，將每個和節(jié)點s連接到變量節(jié)點ν的相應(yīng)選擇(selection)，每個選擇依據(jù) 奇偶校驗矩陣的對應(yīng)行。在和節(jié)點處通過對輸入變量(所接收的字r)的所連接位位置的值進行模2求和 而產(chǎn)生的值給出差錯伴隨式s。附圖的圖3示出圖2奇偶校驗矩陣H1的Tanner圖15，該 圖包括七個變量節(jié)點16 (標為V1到V7)、七個和節(jié)點17 (標為S1到S7)以及邊18。要明白，任何給定的Tarmer圖由該圖所建立的節(jié)點和邊的網(wǎng)絡(luò)中的其變量節(jié)點 與和節(jié)點的互連而不是由該網(wǎng)絡(luò)的任何特定視覺布局來表征；例如，以與圖3所圖解的不 同次序布置Tanner圖15的變量節(jié)點V1到V7而不改變它們與輸入變量的位位置的關(guān)聯(lián)或 每個具體變量節(jié)點到和節(jié)點的互連并不會改變Tanner圖，只不過改變其視覺表示。當然該 表示不需要是可視的并且特別地可以是計算環(huán)境中的邏輯表示(例如，節(jié)點列表指示其類 型以及到其它節(jié)點的鏈接)，并且在本發(fā)明的以下說明中將處理系統(tǒng)描述為創(chuàng)建圖或用圖 工作的任何地方都要這樣理解。雖然通過檢查差錯伴隨式s是否非零可以容易確定所接收的字r中的一個或多 個差錯的存在，但是差錯糾正更為復(fù)雜。一種差錯糾正方法(例如適合用于LDPC碼)是 迭代概率解碼，也被稱為迭代信度傳播或“和積”算法。對這種方法的說明可以在各種教 禾斗書中找至Ij,例如“Information Theory, Inference and Learning Algorithms"David J. .Mackay,Cambridge University Press, 2003ISBN 0521642981，第559頁及以下，在此該 書被并入以供參考_該書也可在如下網(wǎng)址在線獲得www. inference, phy. cam. ac. uk/mackay/itila/book. html。和積算法基于與奇偶校驗矩陣定義的約束的上述圖形表示對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和邊。更特別地，和積算法包括初始給每個變量節(jié)點V分配一概率，該概率對應(yīng)于輸入變量(所接 收的字r)的對應(yīng)位具有特定值(例如，零)的概率。這個概率將取決于通過其接收字r的 信道的差錯率；例如，如果信道差錯率是0. 05，則所接收的實際為‘0’的字r中‘0’的概率 是0.95而所接收的實際為‘0，的字r中‘1，的概率是0.05。 給每個和節(jié)點分配與當碼字被提供給變量節(jié)點時和節(jié)點將產(chǎn)生的值對應(yīng)的輸出 值；對于上述的情況該值當然為零。跨所有和節(jié)點的這些值的有序集在此被稱作“目標伴 隨式” s,因為其對應(yīng)于差錯伴隨式的期望值，即對于上述情況為零向量。此后，在一系列循環(huán)中沿節(jié)點之間的邊交換概率直到獲得與變量節(jié)點輸入具有滿 足約束的值(即，與匹配目標伴隨式的和節(jié)點的輸出相一致的值)對應(yīng)的收斂為止，其中每 個循環(huán)用來調(diào)節(jié)給變量節(jié)點分配的概率。每個循環(huán)包括兩個階段在階段1中消息從每個變量節(jié)點發(fā)送到所連接的和節(jié)點，由此告知每個和節(jié)點 當前分配給每個其所連接的變量節(jié)點的概率。每個和節(jié)點然后基于從其它連接的變量節(jié)點 接收的概率以及和節(jié)點的所分配的輸出值來為每個連接的變量節(jié)點確定具有前述特定值 的有關(guān)變量節(jié)點的概率。在階段2中消息從每個和節(jié)點發(fā)送到所連接的變量節(jié)點，由此告知每個變量節(jié) 點由每個其連接的和節(jié)點當前為其確定的概率。每個變量節(jié)點然后基于其從其連接的和節(jié) 點接收的概率來給其自己分配新的概率。最后，在每個變量節(jié)點處的概率應(yīng)當收斂并穩(wěn)定為可能的‘1’或‘0’，以指示對應(yīng) 的輸入值滿足該圖設(shè)定的約束。盡管上面從概率的角度說明了和積算法，但是這些概率可以用除作為直接概率之 外的各種方式進行表示；例如，同樣可以使用對數(shù)概率或似然性/對數(shù)似然性。在此對由和 積算法操縱的概率的引用要理解為涵蓋這樣的可選表示。如上所述，在恢復(fù)與所接收的字r對應(yīng)的碼字c的情況下‘目標伴隨式’將具有零 的值。然而，情況不需要總是如此。例如，在和積算法被用來導(dǎo)出噪聲向量的值時，目標伴 隨式實際上可以是差錯伴隨式本身(參見上面引用的教科書的圖47. 2c和第558、559頁)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供包括處理裝置的數(shù)據(jù)通信設(shè)備，所述處理裝置被布 置成導(dǎo)出二進制數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)位的相應(yīng)選擇的有序多個模2求和，所述選擇是依據(jù)節(jié)點和 邊的邏輯網(wǎng)絡(luò)中和節(jié)點到變量節(jié)點的連接的，所述節(jié)點和邊一起至少定義覆蓋有限環(huán)形的 單元的連續(xù)體，每個單元由交替布置且由邊互連成環(huán)的相等數(shù)量的變量節(jié)點與和節(jié)點定 界，每個變量節(jié)點與相應(yīng)的二進制數(shù)據(jù)集位位置關(guān)聯(lián)而每個和節(jié)點對應(yīng)于相應(yīng)的所述模2 求和。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種差錯糾正裝置，該差錯糾正裝置被布置成應(yīng) 用迭代信度傳播以調(diào)節(jié)所接收的二進制數(shù)據(jù)集的位值概率以使得所接收數(shù)據(jù)集位的相應(yīng) 選擇的概值的有序多個模2求和匹配目標伴隨式，所述選擇是依據(jù)節(jié)點和邊的網(wǎng)絡(luò)中和節(jié) 點到變量節(jié)點的連接的，所述節(jié)點和邊一起至少定義覆蓋有限環(huán)形的單元的連續(xù)體，每個 單元由交替布置且由邊互連成環(huán)的相等數(shù)量的變量節(jié)點與和節(jié)點定界，每個變量節(jié)點與相 應(yīng)的所接收數(shù)據(jù)集位位置關(guān)聯(lián)而每個和節(jié)點對應(yīng)于相應(yīng)的所述模2求和。


現(xiàn)在將參照示例實施例的示意附圖僅通過示例方式來說明本發(fā)明，在附圖中圖1是圖解根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)方法的用于通過有噪信道進行發(fā)送的消息的編碼的圖 示；圖2示出已知形式的示例奇偶校驗矩陣；圖3是與圖2奇偶校驗矩陣對應(yīng)的Tarmer圖；圖4是描繪實現(xiàn)本發(fā)明的系統(tǒng)的一般形式的圖示；圖5是圖解對于不同的信道差錯率、圖4系統(tǒng)所實施的和積算法的失效率 (failure rate)對目標伴隨式大小的依賴性的曲線圖；圖6是圖解如何可以環(huán)繞平面范圍的單元以形成環(huán)形連續(xù)體的圖示
圖7是圖解用于定義環(huán)繞形成環(huán)形表面的十二個六角形單元的由邊互連的變量 節(jié)點以及和節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)的圖示；圖8是由圖7的節(jié)點和邊的網(wǎng)絡(luò)所定義的約束的Tarmer圖表示；圖9是示出通過向環(huán)形連續(xù)體添加節(jié)點和邊的蜘蛛(spider)結(jié)構(gòu)而擴展的圖7 網(wǎng)絡(luò)的圖示；圖10是由圖10的節(jié)點和邊的網(wǎng)絡(luò)所定義的約束的Tarmer圖表示；圖11是由圖9的節(jié)點和邊的網(wǎng)絡(luò)所定義的約束的奇偶校驗矩陣表示；圖12是圖解定義多個十字形單元的節(jié)點和邊的網(wǎng)絡(luò)的圖示；圖13是圖解定義六節(jié)點矩形單元的偏移布置的節(jié)點和邊的網(wǎng)絡(luò)的圖示；圖14是圖解定義六節(jié)點矩形單元的非偏移布置的節(jié)點和邊的網(wǎng)絡(luò)的圖示；圖15是圖解對于不同的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造、圖4系統(tǒng)所實施的和積算法的失效率對目標伴 隨式大小的依賴性的曲線圖；圖16是圖解如何可以從節(jié)點和邊的標準構(gòu)建塊構(gòu)造圖14中所圖解的單元的優(yōu)選 布置的圖示；圖17是圖解圖4系統(tǒng)的接收設(shè)備的操作的流程圖；圖18是圖解在圖17流程圖的差錯糾正階段期間實施的結(jié)束階段(end-game)例 程的優(yōu)選形式的流程圖；圖19到25是相應(yīng)候選伴隨式差錯模式的圖示；圖26是實現(xiàn)本發(fā)明的量子密鑰分發(fā)QKD系統(tǒng)的示意圖；以及圖27A和27B —起形成圖解圖26所示的QKD系統(tǒng)的示例操作方法的功能流程圖。
具體實施例方式下面最初參照圖4中所描繪的一般情況來說明本發(fā)明的實施例；稍后參照圖26和 27來說明在量子密鑰分發(fā)的具體情況下的應(yīng)用。圖4描繪了一種系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中對象數(shù)據(jù)(在此由行向量m表示的二進制數(shù)據(jù) 集)從發(fā)射設(shè)備20的第一發(fā)射器21通過有噪第一信道40發(fā)送到接收設(shè)備30的第一接收 器32，第一接收器32的輸出是出錯的所接收的數(shù)據(jù)(在此由行向量r表示的二進制數(shù)據(jù) 集)。使用行向量m和r來表示對象數(shù)據(jù)和所接收數(shù)據(jù)是為了方便起見而不要視為意味著第一信道40是位串行信道，盡管情況往往會是這樣。發(fā)射側(cè)處理系統(tǒng)23與接收側(cè)處理系統(tǒng)33協(xié)作以使得接收側(cè)處理系統(tǒng)34的差錯 糾正塊34能夠糾正所接收的數(shù)據(jù)r中的差錯，從而恢復(fù)原始的對象數(shù)據(jù)m。發(fā)射側(cè)和接收 側(cè)處理系統(tǒng)23、33可以經(jīng)由相應(yīng)的收發(fā)器22和32通過第二信道45彼此傳送數(shù)據(jù)項(在 此統(tǒng)稱為‘輔助’數(shù)據(jù))。由每個收發(fā)器22、32向?qū)?yīng)的處理系統(tǒng)23、33輸出的所接收數(shù)據(jù) 項是無差錯的，原因要么在于該信道是可靠無差錯的要么更典型地在于收發(fā)器22、32采用 確保來自接收收發(fā)器的無差錯輸出的合適技術(shù)(這樣的技術(shù)例如包括與出錯數(shù)據(jù)項的重 新發(fā)送相結(jié)合的差錯檢測或者使用線性塊碼或以某種其它方式實現(xiàn)的差錯糾正)。一般而言，發(fā)射側(cè)和接收側(cè)處理系統(tǒng)23、33如下協(xié)作以對所接收的數(shù)據(jù)r進行差 錯糾正1、處理系統(tǒng)23、33兩者都使其操作基于相同的Tarmer圖，即它們依據(jù)與相同 Tanner圖的節(jié)點和邊對應(yīng)的互連的變量節(jié)點與和節(jié)點的邏輯網(wǎng)絡(luò)來實施計算。該Tanner 圖不是固定的而是如下面將更全面解釋地那樣由每個處理系統(tǒng)23、33為對象數(shù)據(jù)m的每一 項(或項的組)以偽隨機但確定性的方式進行獨立創(chuàng)建。2、發(fā)射側(cè)處理系統(tǒng)23使用Tarmer圖從對象數(shù)據(jù)m計算目標伴隨式s，即對象數(shù) 據(jù)m的位定義應(yīng)用到由Tanner圖指定的邏輯網(wǎng)絡(luò)的變量節(jié)點的值并且在邏輯網(wǎng)絡(luò)的和節(jié) 點處通過模2求和所產(chǎn)生的值的有序集形成目標伴隨式S。3、發(fā)射側(cè)處理系統(tǒng)23通過信道45把目標伴隨式s作為輔助數(shù)據(jù)發(fā)送到接收側(cè)處 理系統(tǒng)33。4、接收側(cè)處理系統(tǒng)33的差錯糾正塊34將和積算法(迭代信度傳播)應(yīng)用于由 Tanner圖指定的邏輯網(wǎng)絡(luò)，其中和節(jié)點的輸出值由從發(fā)射側(cè)處理系統(tǒng)23接收的目標伴隨 式s設(shè)定，并且變量節(jié)點的初始值由所接收的數(shù)據(jù)r的位值和信道40的差錯率設(shè)定。5、在和積算法在差錯糾正塊34所使用的邏輯網(wǎng)絡(luò)的變量節(jié)點處產(chǎn)生與目標伴隨 式s相一致的概值時，這些概值被輸出為對象數(shù)據(jù)m。處理系統(tǒng)23和33典型地以帶有支持性存儲器和輸入/輸出子系統(tǒng)的程序控制處 理器的形式來提供，并且在功能上包括如圖4中所描繪的下列塊；發(fā)射側(cè)處理系統(tǒng)23的功能塊目標伴隨式確定塊24，用于通過導(dǎo)出對象數(shù)據(jù)m的位的相應(yīng)預(yù)定選擇的有序多個模2求和來確定目標伴隨式S，該預(yù)定選擇由本地創(chuàng)建的 Tanner圖中和節(jié)點到變量節(jié)點的連接所定義；圖創(chuàng)建塊(亦稱網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建塊)25，用于實現(xiàn)Tarmer圖的偽隨機但確定性的生成以 供目標伴隨式確定塊24使用；伴隨式大小確定塊27 ；以及控制塊26，用于協(xié)調(diào)處理系統(tǒng)23的發(fā)射側(cè)操作和與接收側(cè)處理系統(tǒng)33的輔助數(shù) 據(jù)交換。接收側(cè)處理系統(tǒng)23的功能塊 差錯糾正塊34，其如上面已經(jīng)所概括地那樣提供一種裝置用于通過應(yīng)用迭代信度 傳播以調(diào)節(jié)所接收的數(shù)據(jù)r的位值概率以使得所接收的數(shù)據(jù)r的位的相應(yīng)預(yù)定選擇的概值 的有序多個模2求和匹配從發(fā)射側(cè)處理系統(tǒng)23接收的目標伴隨式s而糾正所接收的數(shù)據(jù)r中的差錯，該預(yù)定選擇由Tanner圖中和節(jié)點到變量節(jié)點的連接所定義，該Tanner圖是用 于生成目標伴隨式的Tanner圖的本地創(chuàng)建版本；圖創(chuàng)建塊(亦稱網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建塊)35，用于實現(xiàn)Tarmer圖的偽隨機但確定性的生成以 供差錯糾正塊24使用；以及控制塊36，用于協(xié)調(diào)接收側(cè)處理系統(tǒng)33的操作和與發(fā)射側(cè)處理系統(tǒng)23的輔助數(shù) 據(jù)交換。 本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)已經(jīng)撰寫的內(nèi)容將很好理解目標伴隨式確定塊24以及差錯 糾正塊34的一般操作，并且因此除了差錯糾正塊為確定和積算法何時運行了其有用過程 (run its useful course)而使用的優(yōu)選‘結(jié)束階段’例程(參見圖18和下面的相關(guān)說明) 之外將不進一步說明該一般操作。代替地，圖4實施例的大部分其余說明將關(guān)注于處理系 統(tǒng)23、33的圖創(chuàng)建塊(亦稱網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建塊)25、35如何分別生成合適的Tarmer圖以供塊24 和34使用(應(yīng)理解的是對于對象數(shù)據(jù)m的給定項，由兩個圖創(chuàng)建塊25、35生成的圖被布 置成是相同的)。特別地，將(參照圖6-17)給出圖的各個示例子類的生成的說明，所述子 類所有都屬于Tanner圖的一般類，由于顯而易見的原因在下文中將該一般類稱為“環(huán)形網(wǎng) 狀”類。Tanner圖的環(huán)形網(wǎng)狀類由特定的一般結(jié)構(gòu)來表征，該特定的一般結(jié)構(gòu)相對容易構(gòu) 造(并因此適合用于動態(tài)的圖創(chuàng)建)并且給所得到的圖賦予具體的特性。這些圖全都可以 被映射到對應(yīng)的稀疏奇偶校驗矩陣，并且適合用于通過迭代信度傳播來實現(xiàn)對大消息(例 如一兆位長)的差錯糾正(以LDPC碼的Tanner圖映射到稀疏奇偶校驗矩陣并且適合用于 迭代信度傳播的相同方式)。圖創(chuàng)建塊25和35兩者都被布置成根據(jù)相同的圖構(gòu)造算法進行操作并且將假設(shè)這 個算法被設(shè)計以創(chuàng)建圖的環(huán)形網(wǎng)狀類的預(yù)選子類；然而，在所選擇的子類內(nèi)，這個算法可以 根據(jù)各個參數(shù)的值來生成大量不同的Tarmer圖。圖創(chuàng)建塊25和35兩者都必須使用相同 的參數(shù)值以便它們生成相同的圖。這些參數(shù)包括-對象數(shù)據(jù)項m的大小(這可能在對象數(shù)據(jù)項m之間改變或者預(yù)先被固定在對所 有對象數(shù)據(jù)項m都相同的特定值)；-目標伴隨式s的大小或者確定這個伴隨式大小的參數(shù)的值(再次這個值可以是 固定的但如下面將看到的那樣這一般是不可取的)；-定義在圖創(chuàng)建期間實施的某些操作中的隨機性的參數(shù)-這些參數(shù)可以是共享的 秘密隨機數(shù)據(jù)(諸如由共享的一次一密亂碼本(one-timepad)提供)或者偽隨機的并因此 確定性的數(shù)字發(fā)生器PNG的操作參數(shù)(諸如初始化向量)(這些后面參數(shù)的值通常固定，不 過周期性同步檢查或重新初始化是可取的)。在圖創(chuàng)建算法的參數(shù)被動態(tài)地(即，針對每個新的對象數(shù)據(jù)項m或這樣項的組) 確定的情況下，這一般由發(fā)射側(cè)處理系統(tǒng)23來完成并且該值通過信道45作為輔助數(shù)據(jù)傳 送到接收側(cè)處理系統(tǒng)33 ；然而，在適當?shù)那樾蜗乱部赡艿氖墙邮諅?cè)處理系統(tǒng)33確定參數(shù)值 并將其發(fā)送到發(fā)射側(cè)處理系統(tǒng)23、或者兩個處理系統(tǒng)23、33協(xié)商要使用的值。也可能的是將圖創(chuàng)建塊25、35所運行的圖構(gòu)造算法布置成能夠構(gòu)造圖的環(huán)形網(wǎng) 狀類的多個子類中的任一子類，其中要使用的子類是動態(tài)確定的圖創(chuàng)建參數(shù)的另一個參 數(shù)。在圖4實施例的下列說明中，假設(shè)僅動態(tài)地確定伴隨式大小，這是針對每個對象數(shù)據(jù)項m重新完成的。更特別地，發(fā)射側(cè)處理系統(tǒng)23的塊27依據(jù)有噪第一信道40的當前差錯率確定伴隨式大小。通過比較已知發(fā)射的數(shù)據(jù)與實際接收的數(shù)據(jù)來測量信道40的差錯率；該比較可 以由處理系統(tǒng)23或33完成但是在本情況下由發(fā)射側(cè)處理側(cè)的塊27完成，該塊27被提供已 知的發(fā)射器21發(fā)射的數(shù)據(jù)并且被提供接收側(cè)處理系統(tǒng)33經(jīng)由信道45所接收的數(shù)據(jù)?？?能要注意的是，用來確定差錯率的數(shù)據(jù)通常將需要與對象數(shù)據(jù)m不同(或者與其分開)，原 因在于其通過信道45得以傳送，該信道45不具備第一信道40的特定屬性，所述特定屬性 證明使用信道40發(fā)送對象數(shù)據(jù)m是正當?shù)摹?例如，在信道40是量子信號信道的情況下， 信道45將不具備信道40所具備的可靠檢測竊聽者屬性)。一旦塊40確定了信道40的差錯率，它就使用其來確定所期望的伴隨式大小并然 后將這個信息傳送到圖創(chuàng)建塊25和35。如已經(jīng)指出的，作為可選方案，塊27可以把所確定 的差錯率發(fā)送到接收側(cè)處理系統(tǒng)33以使得后者能夠?qū)嵤┢渥约簩Π殡S式大小的確定(這 一確定將以與塊27相同的方式來完成以致兩個圖創(chuàng)建塊25、35被提供相同的伴隨式大小 值)?，F(xiàn)在將參照圖5來說明塊27根據(jù)信道40差錯率確定目標伴隨式的期望大小的方 式。圖5是示出對于不同的信道40差錯率而言應(yīng)用于待由圖創(chuàng)建塊25、35創(chuàng)建的Tanner 圖的子類的迭代信度傳播過程(由差錯糾正塊34使用的過程)的失效率隨伴隨式大小的 變化的曲線圖；在這種情況下，失效率指的是迭代信度傳播過程不能在Tanner圖的變量節(jié) 點處產(chǎn)生與目標伴隨式相一致的概值。伴隨式大小在圖5中被指定為對象數(shù)據(jù)m的大小的 百分數(shù)并且這個百分數(shù)可以大于100%。圖5示出三個曲線51、52、53，每個曲線針對不同的信道40差錯率，曲線51的信 道40差錯率最大而曲線53的信道40差錯率最小。每個曲線51-53具有大體相同的階梯 形式，其指示在目標伴隨式的特定大小之下失效率基本上為100%而在閾值伴隨式大小之 上失效率下降到低水平。如從曲線51-53可以看到的，閾值伴隨式大小隨著差錯率的增大 而增大。伴隨式大小確定塊27被布置成選擇一伴隨式大小，對于所確定的信道40差錯率 而言該伴隨式大小在閾值伴隨式大小之上由此確保待由差錯糾正塊34實現(xiàn)的迭代信度傳 播過程的低失效率。出于效率的原因，所選擇的伴隨式大小應(yīng)當比閾值大小高僅僅很小的 百分數(shù)。接下來將考慮圖構(gòu)造算法，該圖構(gòu)造算法由每個圖創(chuàng)建塊25、35運行以為對象數(shù) 據(jù)m的給定大小ρ(位)和目標伴隨式的給定大小q(位)構(gòu)造Tanner圖的環(huán)形網(wǎng)狀類的 預(yù)選子類的圖。實際上，不管有關(guān)子類如何，圖構(gòu)造算法涉及構(gòu)造由邊互連的變量節(jié)點與和 節(jié)點(即，針對對象數(shù)據(jù)m的每位的相應(yīng)變量節(jié)點和針對目標伴隨式s的每位的相應(yīng)和節(jié) 點)的網(wǎng)絡(luò)并且包括兩個主要階段，即第一階段其中相等數(shù)量的變量節(jié)點與和節(jié)點(由ρ和q中的較小者確定)被組 織成覆蓋有限環(huán)形的單元連續(xù)體，每個單元由交替布置且由邊互連成環(huán)的相等數(shù)量的變量 節(jié)點與和節(jié)點定界；以及第二階段其中定義多個‘蜘蛛結(jié)構(gòu)’，每個蜘蛛結(jié)構(gòu)包括一種類型(變量或和)的 節(jié)點(根據(jù)哪種類型在第一階段中未被完全使用)，其由預(yù)定數(shù)量的邊鏈接到另一類型(和或變量)的隨機選擇節(jié)點，所述隨機選擇節(jié)點已經(jīng)在第一階段中參與定義單元連續(xù)體。僅在對象數(shù)據(jù)位的數(shù)量ρ不同于目標伴隨式位的數(shù)量q情況下，才需要第二階段。 要明白，正是邊定義了變量節(jié)點到和節(jié)點的操作性連接。依據(jù)上面的一般圖構(gòu)造算法可以創(chuàng)建的圖構(gòu)成圖的“環(huán)形網(wǎng)狀”類，這個名稱的意 義現(xiàn)在顯而易見。而且，在圖構(gòu)造算法的第一階段中采用的單元的形式和相互關(guān)系確定所 得到的圖的子類。圖6、7和9圖解其中針對十五的對象數(shù)據(jù)大小ρ和十二的目標伴隨式大小q創(chuàng)建 “六角形”子類(之所以如此稱呼是因為在圖構(gòu)造的第一階段中采用的單元具有六角形形 式)的圖。在這種情況下，圖構(gòu)造的第一階段涉及組織十二個變量節(jié)點與十二個和節(jié)點以 形成十二個六角形單元61 (參見圖6)，所述十二個六角形單元61被布置成六個的兩行，其 被端到端(箭頭63)且上下(箭頭62)環(huán)繞以形成覆蓋有限環(huán)形表面的單元連續(xù)體。圖7 更詳細地描繪了節(jié)點的布置，十二個變量節(jié)點被標為V1到V12而十二個和節(jié)點被標為S1到 S120由此可見，每個六 角形單元由三個變量節(jié)點與三個和節(jié)點交替布置而形成；作為示例， 單元77包括節(jié)點71到76，分別是變量節(jié)點V1、和節(jié)點S1、變量節(jié)點V2、和節(jié)點S8、變量節(jié)點 V7以及和節(jié)點s8。這些單元具有公共邊，由此每個節(jié)點實際上參與所定界的三個單元。環(huán) 繞單元以形成單元的環(huán)形連續(xù)體70通過把頂行節(jié)點(節(jié)點Vl、S1, v2, s2, v3、s3、v4, s4、v5, S5, V6, S6)重復(fù)(虛線輪廓)作為底行的節(jié)點并且通過把最左列節(jié)點(Vl、S7、V7、Sl)重復(fù)作 為最右列的節(jié)點來指示。圖8是將圖7的節(jié)點和邊的網(wǎng)絡(luò)重新繪制成對(如例如圖3中所用的)Tarmer圖 的描繪更通常使用的形式80，其中變量節(jié)點V1到V12按順序布置在頂部而和節(jié)點S1到S12 按順序沿底部布置。在圖7中定義單元77的邊已用粗體在圖8中示出(參見81)。應(yīng)當記 住，對于所考慮的示例而言圖7以及因此圖8僅表示部分完全圖。還應(yīng)當注意，雖然在Tarmer圖的視覺描繪中變量節(jié)點的排序通常對應(yīng)于對象數(shù) 據(jù)中位的排序，但是在圖7網(wǎng)絡(luò)的圖8重新繪制中變量節(jié)點的排序是根據(jù)其后綴編號的，如 在下文中將說明的那樣所述后綴編號可以或可以不對應(yīng)于對象數(shù)據(jù)m中位的排序。在如圖 7所示的變量節(jié)點的編號不與對象數(shù)據(jù)m的相關(guān)位的放置位置對應(yīng)的情況下，則變量節(jié)點 根據(jù)對象數(shù)據(jù)m的相關(guān)位的排序而排序的圖7的重新繪制可能將不會清楚地揭示底層結(jié)構(gòu) 規(guī)律性。在圖構(gòu)造的第二階段中，在第一階段中未涉及的三個過剩變量節(jié)點(節(jié)點v13、v14、 v15)鏈接到六角形單元的環(huán)形連續(xù)體70中。這是如下實現(xiàn)的。三個過剩變量節(jié)點v13、v14、 V15中的每個被依次取出并被指定為把該節(jié)點連接到三個隨機選擇的和節(jié)點(其已經(jīng)合并 在環(huán)形連續(xù)體70中)。在視覺方面且如圖9中所描繪的，每個過剩變量節(jié)點v13、v14, V15變 成連接該節(jié)點到環(huán)形連續(xù)體70的三腿蜘蛛結(jié)構(gòu)90的主體；因而，圖9示出鏈接到和節(jié)點 S1^s10和Sltl的過剩變量節(jié)點V13、鏈接到和節(jié)點s2、s5和S9的過剩變量節(jié)點V14、鏈接到和節(jié) 點86、88和S11的過剩變量節(jié)點V15。優(yōu)選地，通過創(chuàng)建隨機組織的和節(jié)點列表并且對于每個 過剩變量節(jié)點V13、V14, V15依次從列表頂部取出和節(jié)點的三元組，來完成和節(jié)點到過剩變量 節(jié)點的隨機分配；在其中過剩變量節(jié)點的數(shù)量導(dǎo)致在創(chuàng)建所有蜘蛛結(jié)構(gòu)90之前和節(jié)點列 表耗盡的情況下，用新的隨機化和節(jié)點列表為剩余變量節(jié)點重復(fù)該過程(這需要多少次就 完成多少次)。
要明白，在其中伴隨式位(以及因此和節(jié)點)的數(shù)量q大于對象數(shù)據(jù)位(以及因 此變量節(jié)點)的數(shù)量P的情況下，在圖構(gòu)造的第二階段的上面說明中顛倒變量節(jié)點與和節(jié) 點的角色。而且，每個蜘蛛結(jié)構(gòu)的腿的數(shù)量不限于三個，其中四個是優(yōu)選的數(shù)量。要明白，以上面的方式構(gòu)造蜘蛛結(jié)構(gòu)產(chǎn)生環(huán)形連續(xù)體70上‘腿’的偽隨機但相當 均勻的分布，從而給規(guī)則(且因此可高效構(gòu)造的)環(huán)形連續(xù)體70增加了隨機性。 由于長度4的循環(huán)在Tarmer圖中通常是不期望的，所以優(yōu)選地對每個新蜘蛛結(jié)構(gòu) 90進行檢查以便不會導(dǎo)致創(chuàng)建長度4的循環(huán)；如果產(chǎn)生這樣的循環(huán)，則拒絕該蜘蛛結(jié)構(gòu)并 且創(chuàng)建新的蜘蛛結(jié)構(gòu)來代替它。如下相當簡單地完成對四循環(huán)的檢查(i)檢查新蜘蛛結(jié)構(gòu)的‘腳’(即，直接鏈接到形成蜘蛛主體的過剩節(jié)點的環(huán)形連 續(xù)體的節(jié)點)在環(huán)形連續(xù)體上彼此分開一個以上中間節(jié)點；(ii)還檢查新蜘蛛結(jié)構(gòu)沒有兩個腳匹配(即其節(jié)點等同于)另一蜘蛛結(jié)構(gòu)的兩個 腳。圖10是將圖9網(wǎng)絡(luò)(環(huán)形連續(xù)體70和蜘蛛結(jié)構(gòu)90兩者)重新繪制成更通常用于 描繪Tanner圖的形式100。圖10表示針對所考慮的示例構(gòu)造的六角形子類完全圖。然而 再次，應(yīng)當注意與圖8所示的一樣，這個重新繪制中變量節(jié)點的排序是根據(jù)其后綴編號的， 其可以或可以不對應(yīng)于對象數(shù)據(jù)m中位的排序。實際上，對象數(shù)據(jù)項m的位位置與圖9網(wǎng)絡(luò)的變量節(jié)點的關(guān)聯(lián)可以被預(yù)先確定 (例如，依據(jù)由節(jié)點后綴指示的節(jié)點編號，盡管其它預(yù)先確定的關(guān)聯(lián)模式也是可能的)，或 者可以被偽隨機地確定(以能夠在圖創(chuàng)建塊25、35獨立實施的確定性方式)。至于和節(jié)點， 所需要的是目標伴隨式確定塊24在生成目標伴隨式s中所用的排序也被差錯糾正塊34在 利用該目標伴隨式時使用。圖11示出針對對象數(shù)據(jù)m的位位置與變量節(jié)點的基于節(jié)點-后綴的關(guān)聯(lián)的與圖 10的圖(以及當然也與圖9的網(wǎng)絡(luò))對應(yīng)的奇偶校驗矩陣H2(標號110)。提供圖11來說 明這個矩陣是稀疏矩陣。如已經(jīng)解釋的，矩陣H2的每行識別必須模2求和為對應(yīng)目標伴隨 式位的值的對象數(shù)據(jù)位的選擇。環(huán)形網(wǎng)狀類的圖的前述示例是“六角形”子類圖，即其中環(huán)形連續(xù)體由六角形單元 組成的圖。圖12到14圖解了使用不同形式的單元來構(gòu)造圖的環(huán)形網(wǎng)狀類的另外相應(yīng)子類 的環(huán)形連續(xù)體。因而圖12圖解圖的‘十字形’子類的環(huán)形連續(xù)體部分120，這個部分120由四個十字形 單元121-124組成，每個十字形單元包括與六個和節(jié)點交替布置的六個變量節(jié)點，其中變 量節(jié)點與和節(jié)點由邊互連。在完全連續(xù)體中，在單元邊界周圍的每個第三節(jié)點被三個相鄰 單元共享并且由邊鏈接到四個其它節(jié)點，所述四個其它節(jié)點中的兩個屬于相同單元。單元 的其它節(jié)點僅鏈接到有關(guān)單元的節(jié)點。為了與圖14示例對比的目的，圖13圖解“六角形”子類圖的環(huán)形連續(xù)體部分130， 但其中六角形單元被重新繪制為偏移六節(jié)點矩形。所圖解的環(huán)形連續(xù)體部分130由布置 成三行的六個六節(jié)點矩形單元131-136組成，其中中間行相對于其它兩行進行了水平偏 移。每個單元131-136包括與三個和節(jié)點交替布置的三個變量節(jié)點，其中和節(jié)點與變量節(jié) 點由邊互連。對于每個單元，四個節(jié)點被設(shè)置在單元頂點處且(處于完全連續(xù)體中)；這些 節(jié)點被兩個其它單元共享并且與三個其它節(jié)點連接，所述三個其它節(jié)點中的兩個屬于相同單元。單元的剩余兩個節(jié)點被設(shè)置在沿單元的一對相對側(cè)的相應(yīng)側(cè)的中間位置；這些節(jié)點 也被兩個其它單元共享并且與三個其它節(jié)點連接，所述三個其它節(jié)點中的兩個屬于相同單兀。圖14圖解圖的“非偏移六節(jié)點矩形”子類的環(huán)形連續(xù)體部分140，這個部分130由 分別具有與圖13示例的六節(jié)點矩形相同的形式但布置成非偏移行的六個六節(jié)點矩形單元 131-136組成。在這種情況下，在完全連續(xù)體中，對于每個單元而言，設(shè)置在單元頂點處的四 個節(jié)點被與三個相鄰單元共享并且與其中屬于相同單元的三個其它節(jié)點連接；單元的剩余 兩個節(jié)點中的每個僅與有關(guān)單元的兩個節(jié)點連接。要明白，單元的“形狀”主要是為了便于說明邏輯網(wǎng)絡(luò)的視覺表示；重要的是單元 節(jié)點彼此的互連。圖15是與圖5類似的曲線圖，其示出了對于不同形式的Tarmer圖而言應(yīng)用于有 關(guān)Tanner圖的迭代信度傳播過程(由差錯糾正塊34使用的過程)的失效率隨伴隨式大小 的變化，信道差錯率在所有情況下都是相同的。更特別地，曲線151針對‘隨機’圖(即，不 具有任何結(jié)構(gòu)但消除了任何4循環(huán)的圖)；曲線152針對圖的“六角形”子類；而曲線153針 對“非偏移六節(jié)點矩形”子類圖。由圖可見，圖的環(huán)形網(wǎng)狀類的兩個表示的子類的伴隨式閾 值(在每個曲線中出現(xiàn)階梯的位置)都小于隨機圖所提供的參考閾值；已發(fā)現(xiàn)通常是這種 情況，指示與隨機圖參考相比環(huán)形網(wǎng)狀類的圖提供增強的性能(對于給定的信道差錯率所 需的伴隨式大小更小)。特別地，已發(fā)現(xiàn)“非偏移六節(jié)點矩形”子類的圖給出最好的性能。圖16描繪了如何可以容易地從節(jié)點和邊的標準構(gòu)建塊160構(gòu)造“非偏移六節(jié)點 矩形”子類圖的環(huán)形連續(xù)體。更特別地，構(gòu)建塊160包括一排交替布置且由邊互連的兩個 和節(jié)點與兩個變量節(jié)點，端節(jié)點也由邊互連(在圖16中由箭頭165表示)。這排交替的和 節(jié)點與變量節(jié)點的每個節(jié)點(在此稱為“排節(jié)點”)具有連接到另一節(jié)點的邊的側(cè)枝，其中 自由邊旨在連接到另一構(gòu)建塊的排節(jié)點。圖16的左手側(cè)示出已經(jīng)通過將一個構(gòu)建塊的自 由邊連接到相鄰構(gòu)建塊的對應(yīng)排節(jié)點而組裝的三個這樣的構(gòu)建塊161、162、163。當以此方 式互連了足夠的構(gòu)建塊以提供數(shù)量等于P (對象數(shù)據(jù)位的數(shù)量)和q (伴隨式位的數(shù)量)中 的最小者的和節(jié)點或變量節(jié)點時，第一構(gòu)建塊(在圖16中為塊161)的自由端被環(huán)繞以與 最近添加的構(gòu)建塊(在圖16中為塊163)的排節(jié)點連接從而閉合并完成環(huán)形連續(xù)體。要明 白，如此形成的環(huán)形連續(xù)體如同端到端接合的一條細長的管子(假設(shè)任何合理大小的對象 數(shù)據(jù)項m)。當然，如此構(gòu)造的環(huán)形連續(xù)體中的一種類型(和或變量)的節(jié)點的數(shù)量將是四的 整數(shù)倍，而P和q中的最小者的值可能不是四的整數(shù)倍?？梢圆捎酶鞣N策略來處理這種情 況；例如，伴隨式位的數(shù)量q可以總是被選擇為四的整數(shù)倍并且對于其中對象數(shù)據(jù)位的數(shù) 量P是P和q中的較小者的情況，則要么可以丟掉適當數(shù)量的對象數(shù)據(jù)位(適合于某些情 況，諸如在下文中要說明的QKD示例的情況下)要么可以添加適當數(shù)量的虛設(shè)對象數(shù)據(jù)位。要明白，用于環(huán)形連續(xù)體構(gòu)造的前述構(gòu)建塊方法可以被適配用于環(huán)形網(wǎng)狀類的圖 的其它子類并且這樣的適配在本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員的能力之內(nèi)。
為了聚集和總結(jié)上面關(guān)于圖生成和使用所討論的主要點，現(xiàn)在將參照圖17給出 對接收側(cè)處理系統(tǒng)33在被提供接收器32所接收的數(shù)據(jù)r后的操作的說明。首先在初始步驟171中，接收側(cè)處理系統(tǒng)33采集未被預(yù)先確定的(一個或多個)圖參數(shù)的值；在本示例中，假設(shè)對象數(shù)據(jù)m中的位數(shù)ρ被預(yù)先確定，如同要生成的環(huán)形網(wǎng)狀圖的子類以及在圖生成期間使用的偽隨機數(shù)發(fā)生器的參數(shù)那樣。在本示例中在步驟171中 采集的唯一動態(tài)參數(shù)是由接收側(cè)處理系統(tǒng)33根據(jù)信道40的差錯率所導(dǎo)出的伴隨式大小q， 該差錯率以通過信道45從發(fā)射側(cè)處理系統(tǒng)23傳送的輔助數(shù)據(jù)被提供。此后，接收側(cè)處理系統(tǒng)33進行圖生成(圖17中的塊172)。如上所述，圖生成的第 一階段是生成環(huán)形連續(xù)體；這是通過首先在步驟1731中確定提供與ρ和q中的最小者對應(yīng) 的數(shù)量的和/變量節(jié)點而所需的標準構(gòu)建塊(諸如用于“非偏移六節(jié)點矩形”圖子類的圖 16的構(gòu)建塊160)的數(shù)量η來實現(xiàn)的。一旦確定了 η的值，則在步驟1732中實施構(gòu)建塊添 加的η個循環(huán)以把η個構(gòu)建塊連接在一起從而形成所需的環(huán)形連續(xù)體。圖生成的第二階段是生成適當數(shù)量的蜘蛛結(jié)構(gòu)，每個過剩節(jié)點對應(yīng)一個蜘蛛結(jié)構(gòu) (即，環(huán)形連續(xù)體尚未提供的每個所需和/變量節(jié)點對應(yīng)一個蜘蛛結(jié)構(gòu))_參見圖17中的塊 172。過剩節(jié)點都具有一種類型并且在步驟1741中將每個這樣的過剩節(jié)點與另一類型的χ 個(例如四個)節(jié)點相關(guān)聯(lián)(邏輯上由邊或‘蜘蛛腿’連接)，所述另一類型的χ個節(jié)點是 從隨機混洗的一群這些節(jié)點(所有都在環(huán)形連續(xù)體中)的頂部取出的。在步驟1742中為 每個新連接到環(huán)形連續(xù)體中的過剩節(jié)點實施四循環(huán)檢查。圖生成的最后階段是在步驟175中把數(shù)據(jù)項m的位位置分配給圖的變量節(jié)點。在發(fā)射側(cè)和接收側(cè)處理系統(tǒng)23、33兩者中基本同時發(fā)生的圖生成之后，接收側(cè)處 理系統(tǒng)33以通過信道45從發(fā)射側(cè)處理系統(tǒng)23傳送給它的輔助數(shù)據(jù)接收目標伴隨式s (參 見步驟176)。接收側(cè)處理系統(tǒng)33現(xiàn)在可以通過使用和積算法(參見圖17中的框177)把所接 收的數(shù)據(jù)位的概值調(diào)節(jié)為與目標伴隨式s相一致而進行所接收數(shù)據(jù)r的差錯糾正。在本情 況下，在和積算法的每y個循環(huán)178(其中y是例如四)之后，執(zhí)行“結(jié)束階段”例程179以 確定和積算法是否已得出結(jié)論(這是原始數(shù)據(jù)m的成功恢復(fù)或者不能被進一步的和積循環(huán) 所糾正的失敗)、或者是否應(yīng)當實行進一步的和積循環(huán)；在后者的情況下處理返回到步驟 178。盡管在許多應(yīng)用中，當變量節(jié)點處的概值與目標伴隨式s相一致時可以判定達到 成功結(jié)論，但是一些應(yīng)用要求甚至更高的確信，應(yīng)理解存在這樣的可能性與目標伴隨式的 一致可能由不匹配原始數(shù)據(jù)m的位值的ν節(jié)點概值產(chǎn)生。結(jié)束階段例程可以通過包括基于 從原始數(shù)據(jù)m導(dǎo)出的校驗和的檢查而考慮這種可能性，要明白為了實施這種檢查，必須(例 如，以在步驟176中傳送的輔助數(shù)據(jù))向接收側(cè)處理系統(tǒng)33提供來自發(fā)射側(cè)處理系統(tǒng)23 的正確校驗和。除了確定和積算法是否運行了其有用過程之外，結(jié)束階段例程還可以被布置成 在其中變量節(jié)點處的概值與目標伴隨式幾乎一致的情況下通過根據(jù)所辨別的出錯和節(jié)點 (即，其中由當前ν節(jié)點概值導(dǎo)致的值不同于該和節(jié)點的目標伴隨式值的和節(jié)點)的模式調(diào) 節(jié)所選擇的ν節(jié)點值來設(shè)法實現(xiàn)一致性。在下文中將更全面地說明基于辨別出錯和節(jié)點的 模式的這種糾正過程。“結(jié)束階段”例程179的優(yōu)選形式現(xiàn)在將參照圖18進行說明并且包含上述校驗和 檢查以及基于辨別出錯和節(jié)點的模式的糾正過程。圖18結(jié)束階段例程開始于確定在操作性圖的變量節(jié)點處當前存在的概值，以及然后使用這些值來導(dǎo)出當前伴隨式，即在圖的和節(jié)點處的值，假設(shè)這些節(jié)點未束縛于目標 伴隨式值(參見步驟181)。然后把這個當前伴隨式與目標伴隨式S相比較以確定不同的位 的數(shù)量d (步驟182)。如果伴隨式差異的數(shù)量d大于例如六(在步驟183中檢查)，則判定需要進一步 的和積循環(huán)；然而如果已經(jīng)實施了上閾值數(shù)目(例如三百)的這種循環(huán)(在步驟184中檢 查)，則通過進一步的和積循環(huán)不太可能實現(xiàn)至與目標伴隨式s相一致的ν節(jié)點概值集的收 斂，因此差錯糾正被停止并被判定失敗。如果步驟183確定不存在伴隨式差異(d = 0)，即ν節(jié)點概值與目標伴隨式s相一 致，則在步驟185中由ν節(jié)點概值形成校驗和(考慮到把ν節(jié)點值排成與所接收數(shù)據(jù)r對 應(yīng)的順序而所需的任何重新排序)并且在步驟186中將該校驗和與由原始數(shù)據(jù)m形成的校 驗和相比較。如果這些校驗和匹配，則差錯糾正作為成功的糾正而被終止并且ν節(jié)點概值 作為所恢復(fù)的對象數(shù)據(jù)m(再次，在任何需要的重新排序之后)被輸出。然而，如果校驗和 不匹配，則差錯糾正作為不成功的糾正而被終止，因為進一步的和積循環(huán)不太可能導(dǎo)致收 斂到正確的ν節(jié)點值集。如果步驟183確定伴隨式差異的數(shù)量d在一到六的范圍內(nèi)(0<d<6)，則(步驟 187)實施基于辨別出錯和節(jié)點的模式的上述糾正過程，其中翻轉(zhuǎn)所選擇的ν節(jié)點值。如果 這一值翻轉(zhuǎn)導(dǎo)致伴隨式差異的數(shù)量被減小到零(在步驟188中檢查)，則實施校驗和創(chuàng)建以 及比較步驟185、186 ；然而，如果通過值翻轉(zhuǎn)未把伴隨式差異的數(shù)量減小到零，則從恰好存 在于結(jié)束階段例程的當前執(zhí)行之前的ν節(jié)點概率開始實施進一步的和積循環(huán)(受步驟184 的上閾值檢查的控制)。關(guān)于基于辨別出錯和節(jié)點的模式的糾正過程(步驟187)，圖19到25示出環(huán)形網(wǎng) 狀圖的“非偏移六節(jié)點矩形”子類的出錯和節(jié)點的相應(yīng)模式；構(gòu)成每個模式的出錯和節(jié)點 是由粗體實線圓包圍的和節(jié)點。在步驟187中系統(tǒng)地搜索這些模式，并且在檢測到模式后， 與特定變量節(jié)點相關(guān)聯(lián)的位值被識別為候選出錯值并因此被翻轉(zhuǎn)；這些變量節(jié)點是對于所 辨別的模式而言如果其值被改變的話則消除有關(guān)模式中的和節(jié)點處的不正確值的那些節(jié) 點-這些變量節(jié)點在圖19到25中被示為由虛線圓包圍。此后，繼續(xù)搜索直到搜索了整個 圖或者所糾正的和節(jié)點值的數(shù)量等于伴隨式差異的原始數(shù)量。在圖19到25中，根據(jù)涉及多少出錯和節(jié)點來布置模式。為方便起見，已對每個模 式給予非限制性的說明性標記。因而圖19-20示出每個均涉及僅兩個出錯和節(jié)點的相應(yīng)模式，所述模式被標記為“2s-線性相鄰”“2s-線性三端(trio end)”圖21-23示出每個均涉及四個出錯和節(jié)點的相應(yīng)模式，所述模式被標記為“4s-菱形”“4s-燭臺”“4s-歪斜狀 L”圖24-25示出每個均涉及六個出錯和節(jié)點的相應(yīng)模式，所述模式被標記為“6s-六角形”“6s-漏斗”
當然，要明白盡管上面給出的標記參照出錯和節(jié)點的模式的特定視覺外觀，但是視覺外觀實際上是不重要的因為它取決于節(jié)點和邊的底層邏輯網(wǎng)絡(luò)的特定視覺描繪并且 許多可選的描繪是可能的。出錯和節(jié)點的特定模式根本上不是由給定描繪可能產(chǎn)生的任何 視覺模式而是由有關(guān)和節(jié)點的相互關(guān)系的模式定義的。通過示例的方式，圖19的簡單“2s-線性相鄰”模式由經(jīng)由沒有其它連接的單個變 量節(jié)點所連接的兩個出錯和節(jié)點組成。對于“2s-線性相鄰”模式，與位于出錯和節(jié)點之間 的變量節(jié)點相關(guān)聯(lián)的位值因此是候選的出錯值，因為翻轉(zhuǎn)該值會翻轉(zhuǎn)出錯和節(jié)點的值而不 翻轉(zhuǎn)其它和節(jié)點的值。類似地在圖20的“2s-線性三端”模式中，兩個出錯和節(jié)點由一排邊 與節(jié)點連接，所述節(jié)點包括橫跨未出錯和節(jié)點的兩個變量節(jié)點，其中所述變量節(jié)點僅連接 到所橫跨的和節(jié)點與出錯和節(jié)點中的相應(yīng)出錯和節(jié)點；與這兩個變量節(jié)點相關(guān)聯(lián)的位值因 此是候選的出錯值，因為翻轉(zhuǎn)這些值會翻轉(zhuǎn)出錯和節(jié)點的值而不翻轉(zhuǎn)其它和節(jié)點的值?？赡茏⒁獾剑瑘D22的“4s-燭臺”模式實際上是與圖21的“4s_菱形”模式相同的 基本模式，因為有關(guān)圖的環(huán)形連續(xù)體上下環(huán)繞；然而，如果使用(如圖解的)‘底’行節(jié)點作 為參考來進行搜索，則這些模式是不同的。對于每個模式，四個出錯和節(jié)點經(jīng)由單個中間變 量節(jié)點互連，并且與中間變量節(jié)點相關(guān)聯(lián)的位值因此是候選的出錯值，因為翻轉(zhuǎn)該值會翻 轉(zhuǎn)出錯和節(jié)點的值而不翻轉(zhuǎn)其它和節(jié)點的值。上述情況同樣適用于圖24和25的“6s-六角形”和“6s-漏斗”模式。在這種情 況下，每個模式包括第一對出錯和節(jié)點，其由包括橫跨中間未出錯和節(jié)點的兩個變量節(jié)點的節(jié)點三元 組鏈接，每個變量節(jié)點鏈接到中間和節(jié)點與第一對的出錯和節(jié)點中的一個相應(yīng)出錯和節(jié)
占，第二對出錯和節(jié)點，其經(jīng)由沒有其它鏈接的單個中間變量節(jié)點鏈接，第二對的每 個出錯和節(jié)點也鏈接到鏈接第一對出錯和節(jié)點的所述節(jié)點三元組中的變量節(jié)點的一個相 應(yīng)變量節(jié)點；以及第三對出錯和節(jié)點，其經(jīng)由沒有其它鏈接的單個中間變量節(jié)點鏈接，第三對的每 個出錯和節(jié)點也鏈接到鏈接第一對出錯和節(jié)點的所述節(jié)點三元組中的變量節(jié)點的一個相 應(yīng)變量節(jié)點。與鏈接第一對出錯和節(jié)點的節(jié)點三元組中的兩個變量節(jié)點相關(guān)聯(lián)的位值因此是 候選的出錯值，因為翻轉(zhuǎn)這些值會翻轉(zhuǎn)出錯和節(jié)點的值而不翻轉(zhuǎn)其它和節(jié)點的值。優(yōu)先搜索更復(fù)雜的模式(即，那些涉及更多出錯和節(jié)點的模式)，因為諸如圖19的 “2s-線性相鄰”模式之類的簡單模式實際上可能僅是諸如圖21到23的任何四個出錯和節(jié) 點之類的更復(fù)雜模式的一部分。圖19到25中所圖解的出錯和節(jié)點的模式不旨在作為這種模式的窮盡集并且步驟 187可以被布置成搜索任何期望的可能模式集。而且，盡管迄今為止所說明的出錯和節(jié)點的 所有模式是在有關(guān)圖的環(huán)形連續(xù)體中找到的模式，但是也可以搜索涉及圖的‘蜘蛛結(jié)構(gòu)’的 模式。特別地，在P > q以致在每個蜘蛛結(jié)構(gòu)的中心處的節(jié)點是變量節(jié)點ν的情況下，則與 蜘蛛結(jié)構(gòu)的所有腿的‘腳’對應(yīng)的出錯和節(jié)點的模式指示在蜘蛛結(jié)構(gòu)的中心處的對象數(shù)據(jù) 位很可能出錯并應(yīng)當被翻轉(zhuǎn)。優(yōu)選地，(例如，通過依次檢查每個蜘蛛結(jié)構(gòu))首先搜索這樣 的出錯和節(jié)點模式。
如上所述，圖19到25中所圖解的模式可應(yīng)用于環(huán)形網(wǎng)狀圖的“非偏移六節(jié)點矩 形”子類；針對環(huán)形網(wǎng)狀圖的其它子類的類似出錯和節(jié)點模式可由本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員 容易地導(dǎo)出。本領(lǐng)域技術(shù)人員要理解，接收設(shè)備為該設(shè)備打算處理的每種類型的圖存儲表示出 錯和節(jié)點模式(以及與每個模式相關(guān)聯(lián)的一個或多個候選出錯變量節(jié)點)的數(shù)據(jù)；這樣的 數(shù)據(jù)可以被預(yù)先安裝或根據(jù)需要加載。還要明白，因為所接收的數(shù)據(jù)位的位置與變量節(jié)點 的預(yù)定關(guān)聯(lián)，識別候選的出錯變量節(jié)點實際上與識別(通過應(yīng)用和積算法所調(diào)節(jié)的)所接 收數(shù)據(jù)的候選出錯位相同。示例應(yīng)用 用于一次一密亂碼本補充的QKD系統(tǒng)中的差錯糾正現(xiàn)在將參照圖26和27來說明上述差錯糾正方法和裝置的示例應(yīng)用，這個示例應(yīng) 用涉及用于補充匹配的一次一密亂碼本(OTP)的量子密鑰分發(fā)(QKD)系統(tǒng)中的差錯糾正。如眾所周知的，擁有相同秘密隨機數(shù)據(jù)的雙方可以可證明地使用Vernam密碼 實現(xiàn)牢不可破的安全通信，并且實現(xiàn)合法消息與虛假或更改消息之間的區(qū)分(例如使用 Wegman-Carter認證)。然而在這兩種情況下，從由所述方共享的秘密隨機數(shù)據(jù)中使用的數(shù) 據(jù)禁止被再使用。術(shù)語“一次一密亂碼本”因此經(jīng)常用來指代所述方共享的秘密隨機數(shù)據(jù)， 并且這個術(shù)語或其首字母縮略詞“OTP”在此被用于由多方共享的秘密隨機數(shù)據(jù)；在下面給 出的具體示例中，這些方是與QKD發(fā)射設(shè)備相關(guān)聯(lián)的Alice方以及與QKD接收設(shè)備相關(guān)聯(lián) 的Bob方。盡管為了絕對安全起見一次一密亂碼本數(shù)據(jù)必須是真正隨機的，但是在此對一 次一密亂碼本(OTP)的引用包括可能不是真正隨機的但隨機性足以為有關(guān)目的提供可接 受程度的安全性的秘密數(shù)據(jù)。OTP數(shù)據(jù)在使用時實際被消耗的事實導(dǎo)致在一次一密亂碼本的許多應(yīng)用中需要以 高度安全的方式補充有關(guān)多方所持有的OTP數(shù)據(jù)以便不會損害通過采用OTP數(shù)據(jù)所換取的 安全性。近來，已發(fā)展了量子密鑰分發(fā)(QKD)方法和系統(tǒng)，其使得雙方能夠以具有檢測任 何竊聽者的很高概率的方式共享隨機數(shù)據(jù)。這意味著如果沒有檢測到竊聽者，這些方可以 高度相信所共享的隨機數(shù)據(jù)是秘密的；QKD方法和系統(tǒng)因此非常適合用于OTP數(shù)據(jù)的安全 補充。在已知的QKD系統(tǒng)中，隨機偏振的光子通過光纜或自由空間從發(fā)射設(shè)備發(fā)送 到接收設(shè)備；典型地，這樣的系統(tǒng)根據(jù)眾所周知的BB84量子編碼方案進行操作(參見 C. H. Bennett 禾口 G. Brassard 的 ‘‘QuantumCryptography :Public Key Distribution and Coin Tossing", Proceedings ofIEEE International Conference on Computer Systems and Signal Processing, Bangalore India，1984 年 12 月，第 175-179 頁)。因為對理解本 發(fā)明而言既不需要BB84方案的細節(jié)也不需要QKD發(fā)射器或接收器的細節(jié)，所以許多這樣的 細節(jié)在此未被包括但是如果需要的話可以參照上述文檔或類似的一般可用的著作而容易 獲得。圖26示出示例應(yīng)用的QKD系統(tǒng)，這個系統(tǒng)被描繪為圖4系統(tǒng)的特殊化，其中對 應(yīng)的元件由用字母“Q”補充的相同標號指示_因而圖26QKD系統(tǒng)包括經(jīng)由量子信號信道 40Q(有噪信道)和經(jīng)典信道45Q(無差錯或差錯糾正的非量子信號信道諸如無線信道)通信的QKD發(fā)射設(shè)備20Q(與‘Alice’方相關(guān)聯(lián))和QKD接收設(shè)備30Q(與‘Bob’方相關(guān)聯(lián))。 QKD發(fā)射設(shè)備20Q包括發(fā)射側(cè)處理系統(tǒng)23Q，而QKD接收設(shè)備30Q包括接收側(cè)處理系統(tǒng)33Q。 這些處理系統(tǒng)23Q和33Q每個包括分別與其圖4對應(yīng)處理系統(tǒng)23和33相同的功能塊(在 圖26中未示出)并且還包括下面說明的附加功能塊。QKD發(fā)射設(shè)備20Q具有QKD發(fā)射子系統(tǒng)501 (在圖26中以虛線輪廓示出)，該QKD 發(fā)射子系統(tǒng)501被布置成經(jīng)由量子信號信道40Q和經(jīng)典信道45Q與QKD接收設(shè)備30Q的 QKD接收子系統(tǒng)502協(xié)作，以使得隨機數(shù)據(jù)集m能夠從發(fā)射設(shè)備20Q傳送到接收設(shè)備30Q， 在接收設(shè)備30Q中該隨機數(shù)據(jù)集m作為尚待差錯糾正的接收數(shù)據(jù)r由QKD接收子系統(tǒng)502 輸出。QKD發(fā)射子系統(tǒng)501包括QKD發(fā)射器21Q(提供用于使光子選擇性偏振的光學(xué)部 件)、隨機數(shù)據(jù)源505以及方便地被提供為發(fā)射側(cè)處理系統(tǒng)23Q的功能塊的QKD處理塊506。 隨機數(shù)據(jù)源505被布置成生成成對的隨機位，其中隨機性是例如通過硬件隨機數(shù)發(fā)生器來 實現(xiàn)的，所述硬件隨機數(shù)發(fā)生器諸如基于量子的裝置，其中半涂銀的反射鏡用來通過/偏 轉(zhuǎn)光子到檢測器以對應(yīng)地以50 50的幾率生成“0”/ “1”;可以基于過度驅(qū)動電阻器或二 極管以利用電子噪聲來觸發(fā)隨機事件，而構(gòu)造隨機數(shù)發(fā)生器的可選形式。每對隨機位的一 位確定要在當前時隙中由發(fā)射器21Q發(fā)送的位值而另一位確定要用于發(fā)射該位值的偏振 基。
要注意，待由QKD發(fā)射器21Q和QKD接收器31Q共享的數(shù)據(jù)集m是發(fā)射器21Q發(fā) 射的位值的非確定性子集，該子集包括這樣的位值-QKD接收子系統(tǒng)502在對應(yīng)的時隙中通過量子信號信道40Q已經(jīng)接收了該位值的 信號，以及-QKD發(fā)射子系統(tǒng)501和QKD接收子系統(tǒng)502對該位值已經(jīng)隨機使用了相同的偏振 基(減去例如在確定信道40Q的差錯率的過程中通過經(jīng)典信道傳送的任何位值)。QKD處 理塊506的責任是基于發(fā)射器21Q發(fā)射的位值和通過經(jīng)典信道45Q接收的與QKD接收子系 統(tǒng)502的信號接收和QKD接收子系統(tǒng)502所用的基有關(guān)的信息來確定數(shù)據(jù)集m的內(nèi)容。QKD接收子系統(tǒng)502包括QKD接收器32Q(提供用于接收光子并且檢測其偏振的 光學(xué)部件)以及方便地被提供為接收側(cè)處理系統(tǒng)33Q的功能塊的QKD處理塊509。在QKD 接收子系統(tǒng)502中，通過使用半涂銀的反射鏡把任何進入光子隨機引導(dǎo)(channel)到用于 一個或另一個偏振基的檢測器，來隨機選擇在連續(xù)時隙期間所使用的偏振基。QKD處理塊 509的責任是基于所接收的位值和通過經(jīng)典信道45Q接收的識別對其使用正確基的時隙的 信息來確定所接收的數(shù)據(jù)Γ。然后以上面參照圖4到25已經(jīng)說明的方式實現(xiàn)對所接收的數(shù)據(jù)r的糾正，以使得 QKD接收設(shè)備30Q能夠恢復(fù)隨機數(shù)據(jù)集m。QKD發(fā)射設(shè)備20Q持有存儲在存儲器中且由發(fā)射側(cè)處理系統(tǒng)23Q的OTP管理功能 塊507管理的一次一密亂碼本503 ；類似地，QKD接收設(shè)備30Q持有存儲在存儲器中且由接 收側(cè)處理系統(tǒng)33Q的OTP管理功能塊510管理的一次一密亂碼本504。由QKD發(fā)射設(shè)備20Q 與QKD接收設(shè)備30Q所共享的隨機數(shù)據(jù)集m用來補充一次一密亂碼本503和504以致其內(nèi) 容繼續(xù)彼此匹配。從一次一密亂碼本503和504取得的數(shù)據(jù)能夠方便地用來互相認證QKD發(fā)射設(shè)備20Q與QKD接收設(shè)備30Q，以及用來給在應(yīng)用于所接收的數(shù)據(jù)r的差錯糾正過程中使用的偽 隨機數(shù)發(fā)生器生成種子(seed)。事實上，來自一次一密亂碼本的數(shù)據(jù)可以被直接用作在差 錯糾正過程中所需的隨機源，盡管這有點不大高效?，F(xiàn)在將參照圖27A和B來說明QKD發(fā)射設(shè)備20Q與QKD接收設(shè)備30Q為實現(xiàn)其一 次一密亂碼本503、504的補充而交互和操作的總流程。為方便起見，按照Alice和Bob實 施的步驟來給出本說明并且要理解有關(guān)步驟事實上分別由QKD發(fā)射設(shè)備20Q與QKD接收設(shè) 備30Q實現(xiàn)。而且在圖27A和B中，Alice和/或Bob的名字關(guān)于特定步驟以大寫字母的 出現(xiàn)指示在該步驟中對應(yīng)設(shè)備20Q和/或30Q(視情況而定)的積極參與。在初始的識別階段(在圖26A中的步驟514到522) ,Alice使用經(jīng)典通信信道45Q 啟動與Bob的對話并且Alice告訴Bob她是誰并且Bob通過告訴Alice他是誰做出響應(yīng)。根據(jù)本示例，這是使用來自一次一密亂碼本503、504的數(shù)據(jù)而完成的。為解釋方 便起見，一次一密亂碼本被認為由下列組成a Il b Il c Il 其余 0TP(rest_of_0TP)其中a、b和c例如每個是64位(符號||表示串聯(lián)接)。在步驟514中，Alice 發(fā)射(a)X OR(b)到Bob，其中XOR是異或函數(shù)。在步驟516中，Bob搜索其一次一密亂碼本 504以尋找匹配。一旦找到匹配，在步驟518中Bob將(a)XOR(C)發(fā)回Alice。在步驟520 中，Alice檢查這是正確的響應(yīng)。然后Alice和Bob兩者在步驟522中從其一次一密亂碼 本503,504中刪除a、b和c，留下其余OTP。接著，在本示例中使用現(xiàn)在將說明的BB84量子編碼方案的變型來實施QKD發(fā)射及 處理階段(步驟524到541)。假設(shè)Alice和Bob具有關(guān)于其中將發(fā)射數(shù)據(jù)單位的時隙的長度的預(yù)定協(xié)定。為了 實現(xiàn)初始同步，Alice在步驟524中通過量子信號信道發(fā)送光子脈沖。在步驟526中，Alice (使用源505)隨機地生成許多成對的位，典型地為108對的 量級。如上面所指出的，每對位由數(shù)據(jù)位和基位組成，后者指示要用于發(fā)送數(shù)據(jù)位的偏振方 向?qū)?垂直/水平或者對角線/反對角線。水平或?qū)蔷€偏振的光子指示二進制1，而垂直 或反對角線偏振的光子指示二進制0。每對的數(shù)據(jù)位因而由Alice通過根據(jù)由相同對的基 位所指示的偏振方向?qū)Χ幋a的量子信號信道40Q進行發(fā)送。當接收到來自Alice的量子 信號時，Bob隨機地選擇在每個時隙期間其將用來檢測量子信號的基(偏振方向?qū)?并記 錄結(jié)果。發(fā)送隨機生成的位對的數(shù)據(jù)位是需要使用量子信道進行的唯一通信。在步驟528中，Bob經(jīng)由經(jīng)典信道45Q向Alice發(fā)送針對部分量子信號傳輸?shù)耐?全接收數(shù)據(jù)，所選定的實際部分是隨機選擇的且具有例如總傳輸?shù)?0%的大??；這使得 Alice能夠確定量子信號信道40Q的差錯率。所述接收數(shù)據(jù)包括接收信號所在的時隙、被確 定為針對這些時隙的每個所接收的數(shù)據(jù)位值、以及其基(即偏振方向?qū)?。在步驟530中， Alice使用來自Bob的關(guān)于隨機選擇的10%傳輸?shù)慕邮諗?shù)據(jù)來對于其中Bob接收信號并且 使用正確基的時隙確定信道40Q的差錯率。在步驟532中，Alice基于在步驟530中導(dǎo)出的差錯率來確定量子信號是否已經(jīng) 被攔截。差錯率越高，量子信號被攔截的概率越大，并且大于約12%的差錯率通常是不可 接受的，并且優(yōu)選地設(shè)定8%的上閾值。如果發(fā)現(xiàn)差錯率大于8%閾值，則放棄會話(步驟 534)，Alice通過經(jīng)典信道45Q告訴Bob丟棄所接收的量子信號數(shù)據(jù)。
如果差錯率低于8 %閾值，則Alice通過經(jīng)典信道45Q向Bob發(fā)送差錯率，并且 Alice和Bob兩者隨后以上面已經(jīng)說明的方式使用這個差錯率來確定要在差錯糾正中使用 的伴隨式大小。Alice和Bob兩者丟棄用于確定差錯率的數(shù)據(jù)值。在步驟538中，Bob經(jīng)由經(jīng)典信道45Q向Alice發(fā)送針對量子信號傳輸?shù)钠溆嗖?分(例如，其余90%)的部分接收數(shù)據(jù)，該部分接收數(shù)據(jù)包括接收信號所在的時隙以及其基 (即偏振方向?qū)?但不包括被確定為接收到的數(shù)據(jù)位值。 在步驟540中，Alice把m確定為針對這樣的時隙所發(fā)射的數(shù)據(jù)位值，對于所述時 隙Bob接收到量子信號并使用正確的基來確定所接收的位值。Alice還經(jīng)由經(jīng)典信道45Q 向Bob發(fā)送識別持有m的數(shù)據(jù)位值的時隙的信息。在步驟541中，Bob確定組成所接收數(shù) 據(jù)r的數(shù)據(jù)位值。下一操作階段(圖27B中的步驟542到550)是以上面參照圖4到25已經(jīng)說明的 方式對所接收的數(shù)據(jù)r的差錯糾正。因而在步驟542中，Alice和Bob確定要使用的目標 伴隨式的大小并然后獨立地生成環(huán)形網(wǎng)狀類的給定或商定子類的相同圖。在步驟544中，Alice使用在步驟542中生成的圖從數(shù)據(jù)m中確定目標伴隨式s ； Alice還計算m的校驗和。Alice通過經(jīng)典信道45Q向Bob發(fā)送目標伴隨式s與校驗和。在步驟546中，Bob使用和積算法來設(shè)法糾正所接收的數(shù)據(jù)r中的差錯。如果差 錯糾正不成功(這里結(jié)束階段例程179的相關(guān)測試被描繪為在步驟154實施并且包括對與 目標伴隨式s的一致性以及在m上形成的校驗和的檢查)，則在步驟550中Bob告訴Alice 丟棄數(shù)據(jù)m并且Bob丟棄所接收的數(shù)據(jù)r。如果差錯糾正成功以致Alice和Bob兩者最終獲得通過量子信號信道40Q共享的 新隨機數(shù)據(jù)m，則Alice和Bob兩者實行相同的隱私放大步驟552。在這方面，要注意盡管 在步驟532中實施的基于差錯率的攔截檢查將檢測量子信號傳輸?shù)娜魏物@著部分的攔截， 但是竊聽者可能仍能夠成功地攔截量子信號的少量位，因為將存在如下的有限(盡管很小 的)概率在時隙期間通過量子信道發(fā)送一個以上光子，從而使得帶有分束器的竊聽者可 以捕獲一個光子同時允許Bob接收其它光子成為可能。正是為了補償信息到竊聽者的這種 潛在泄露而執(zhí)行隱私放大步驟552。在隱私放大步驟552中，Al ice和Bob兩者使用確定性的隨機化排列 (permutation)來減小其相應(yīng)的新共享秘密數(shù)據(jù)m的版本的大小，大小的減小依賴于所需 的安全級別。在隱私放大之后，Alice和Bob很可能具有相同的結(jié)果m’。然而，在步驟554中 Alice和Bob通過交換其新共享秘密數(shù)據(jù)m’的散列而設(shè)法再次向他們自己保證情況就是 如此；為了保護和認證所發(fā)射的散列，將其與從他們相應(yīng)的一次一密亂碼本503、504中彈 出的位進行異或。如果這些散列不同(在步驟556中檢查)，則丟棄新共享數(shù)據(jù)m’(步驟 558)。如果所交換的散列匹配，則再次向Alice和Bob保證他們具有相同的新共享數(shù)據(jù) m’并且他們每個繼續(xù)將新數(shù)據(jù)m’與他們相應(yīng)的一次一密亂碼本503、504的現(xiàn)有內(nèi)容合并。 這種合并涉及使用散列函數(shù)來確保外部觀察者不了解一次一密亂碼本中的最終共享秘密 數(shù)據(jù)。事實上，只要在合并之前在一次一密亂碼本中留下合理量的數(shù)據(jù)，合并操作就引入足 夠的模糊以致對于大多數(shù)目的來說可以省略隱私放大步驟552和后面的步驟554。
然后可以使用來自補充的一次一密亂碼本的數(shù)據(jù)來例如生成會話密鑰(例如， 128位會話密鑰)以用于加密通過經(jīng)典信道在發(fā)射設(shè)備20Q和接收設(shè)備30Q之間的應(yīng)用數(shù) 據(jù)交換，用于創(chuàng)建會話密鑰的數(shù)據(jù)從一次一密亂碼本中被丟棄。要明白，上述QKD方法被作為本發(fā)明的一個示例情況給出并且圖27中給出的這個 示例的步驟可以被改變和/或以不同的順序?qū)嵤?在本領(lǐng)域技術(shù)人員理解的限度內(nèi))。關(guān)于上面參照圖4到25說明的差錯糾正方法，當然許多變型是可能的。例如，盡管 為了最小化處理的原因，目標伴隨式的大小被說明為根據(jù)信道40的差錯率進行動態(tài)確定， 但是可選地將可能以選擇為能夠處理所有可能差錯率的預(yù)定伴隨式大小進行操作；在這種 情況下，如果所有其它圖參數(shù)也是預(yù)定的，則可以在不需要交換任何圖參數(shù)數(shù)據(jù)的情況下 實施圖創(chuàng)建。盡管在前面說明中已由發(fā)射設(shè)備20和接收設(shè)備30為每個對象數(shù)據(jù)項m(或這種 項的集合)動態(tài)且獨立地創(chuàng)建了差錯糾正圖，但是要明白環(huán)形網(wǎng)狀類的圖也可以被用在如 下系統(tǒng)中-其中所用的差錯糾正圖是固定的并被預(yù)先安裝在發(fā)射設(shè)備和接收設(shè)備中；-其中發(fā)射設(shè)備和接收設(shè)備中的僅一個設(shè)備生成圖，該圖然后被發(fā)送到另一設(shè)備； 以及-其中目標伴隨式是預(yù)定的，例如為零向量，環(huán)形網(wǎng)狀類的差錯糾正圖被用于標準 線性塊碼糾錯系統(tǒng)中的情況就是如此。
權(quán)利要求
數(shù)據(jù)通信設(shè)備(20；30)，包括處理裝置(23；33)，所述處理裝置被布置成導(dǎo)出二進制數(shù)據(jù)集(m；r)的數(shù)據(jù)位的相應(yīng)選擇的有序多個模2求和，所述選擇是依據(jù)節(jié)點和邊的邏輯網(wǎng)絡(luò)中變量節(jié)點(v1-v15)到和節(jié)點(s1-s12)的連接的，所述節(jié)點和邊一起至少定義覆蓋有限環(huán)形的單元的連續(xù)體(70；120；130；140)，每個單元由交替布置且由邊互連成環(huán)的相等數(shù)量的變量節(jié)點(v1-v12)與和節(jié)點(s1-s12)定界，每個變量節(jié)點與相應(yīng)的二進制數(shù)據(jù)集位位置關(guān)聯(lián)而每個和節(jié)點對應(yīng)于相應(yīng)的所述模2求和。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述連續(xù)體(70；120 ；130 ； 140)的變量節(jié)點與二進制 數(shù)據(jù)集位位置隨機地關(guān)聯(lián)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中每個單元具有六個節(jié)點，每個節(jié)點被與兩個相鄰單元 共享并且由邊鏈接到三個其它節(jié)點，所述三個其它節(jié)點中的兩個屬于相同單元，所述連續(xù) 體(70)能夠表示為由六角形單元(77)組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中每個單元具有十二個節(jié)點，其中每個第三節(jié)點被與三 個相鄰單元共享并且由邊鏈接到四個其它節(jié)點，所述四個其它節(jié)點中的兩個屬于相同單 元，所述每個第三節(jié)點之間的單元節(jié)點僅鏈接到有關(guān)單元的節(jié)點，所述連續(xù)體(120)能夠 表示為由十字形單元(121-124)組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中每個單元具有六個節(jié)點，所述六個節(jié)點中的四個節(jié)點 的每一個被與三個相鄰單元共享并且每一個由邊鏈接到四個其它節(jié)點，所述四個其它節(jié) 點中的兩個屬于相同單元，每個單元的另兩個節(jié)點僅鏈接到有關(guān)單元的節(jié)點，所述連續(xù)體 (140)能夠表示為由矩形單元(141-148)組成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述邏輯網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點和邊進一步定義多個蜘蛛結(jié)構(gòu) (90)，每個蜘蛛結(jié)構(gòu)包括一種類型即變量(ν)或和(s)的節(jié)點，其由邊鏈接到另一類型即 和(s)或變量(ν)的隨機選擇的節(jié)點，所述隨機選擇的節(jié)點還參與定義單元的所述連續(xù)體 (70 ；120 ；130 ； 140)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的差錯糾正裝置，其中所述一種類型的每個節(jié)點由邊鏈接到另一類 型的四個隨機選擇節(jié)點。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述設(shè)備(30)被布置成通過有噪信道(40)接收二進 制數(shù)據(jù)集(r)并且所述處理裝置(33)包括用于對所接收的二進制數(shù)據(jù)集(r)中的差錯進 行糾正的差錯糾正裝置(34)，所述差錯糾正裝置(34)被布置成應(yīng)用迭代信度傳播以調(diào)節(jié) 所接收的二進制數(shù)據(jù)集(r)的位值概率以使得由所述處理裝置(23)針對作為所接收的數(shù) 據(jù)集的概值集的所述二進制數(shù)據(jù)集而形成的所述有序多個模2求和匹配目標伴隨式(s)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述設(shè)備(30)被布置成通過有噪第一信道(40)發(fā)射 二進制數(shù)據(jù)集(m)，所述設(shè)備(30)進一步被布置成輸出用于在通過第一信道(40)接收二進 制數(shù)據(jù)集后對二進制數(shù)據(jù)集進行差錯糾正的目標伴隨式(s)，所述處理裝置(23)被布置成 將所述目標伴隨式(s)導(dǎo)出為所述有序多個模2求和。
10.一種差錯糾正裝置(34)，被布置成應(yīng)用迭代信度傳播以調(diào)節(jié)所接收的二進制數(shù)據(jù) 串(r)的位值概率以使得所接收數(shù)據(jù)串位的相應(yīng)選擇的概值的有序多個模2求和匹配目標 伴隨式(s)，所述選擇是依據(jù)節(jié)點和邊的網(wǎng)絡(luò)中變量節(jié)點(V1-V15)到和節(jié)點(S1-S12)的連接 的，所述節(jié)點和邊一起至少定義覆蓋有限環(huán)形的單元的連續(xù)體(70 ；120 ；130 ；140)，每個單 元由交替布置且由邊互連成環(huán)的相等數(shù)量的變量節(jié)點(V1-V12)與和節(jié)點(S1-S12)定界，每個變量節(jié)點與相應(yīng)的所接收數(shù)據(jù)串位位置關(guān)聯(lián)而每個和節(jié)點對應(yīng)于相應(yīng)的所述模2求和。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的差錯糾正裝置，其中節(jié)點和邊的所述網(wǎng)絡(luò)進一步定義多個蜘蛛 結(jié)構(gòu)(90)，每個蜘蛛結(jié)構(gòu)包括一種類型即變量(ν)或和(s)的節(jié)點，其由邊鏈接到另一類型 即和(s)或變量(ν)的隨機選擇的節(jié)點，所述隨機選擇的節(jié)點還參與定義單元的所述連續(xù) 體(70 ；120 ；130 ； 140)。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的差錯糾正裝置，其中變量節(jié)點與所接收數(shù)據(jù)串位位置隨機地關(guān)聯(lián)。
全文摘要
量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)通信設(shè)備的處理裝置被布置成導(dǎo)出二進制數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)位的相應(yīng)選擇的有序多個模2求和。數(shù)據(jù)通信設(shè)備可以是帶有用來確定隨后用于差錯糾正的目標伴隨式的處理裝置的發(fā)射設(shè)備或者是帶有被布置成實現(xiàn)對所接收數(shù)據(jù)的差錯糾正的數(shù)據(jù)處理裝置的接收設(shè)備。處理裝置依據(jù)節(jié)點和邊的邏輯網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點互連來實現(xiàn)其從二進制數(shù)據(jù)集中選擇位，所述節(jié)點和邊一起至少定義覆蓋有限環(huán)形的單元的連續(xù)體(70)。由該連續(xù)體(70)提供給位選擇的結(jié)構(gòu)化能夠被網(wǎng)絡(luò)的其它結(jié)構(gòu)(90)提供的隨機性以及被二進制數(shù)據(jù)集的位與連續(xù)體的節(jié)點的隨機關(guān)聯(lián)而抵消。節(jié)點和邊的邏輯網(wǎng)絡(luò)表示用于所述量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中的差錯糾正的LDPC碼的圖。
文檔編號H04L9/08GK101842991SQ200880113950
公開日2010年9月22日 申請日期2008年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月31日
發(fā)明者K·A·哈里森, W·蒙羅 申請人:惠普開發(fā)有限公司