本發(fā)明涉及連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)(continuous?variable?quantum?keydistribution，cv-qkd)，具體而言，涉及一種適用于長(zhǎng)距離cv-qkd的誤碼糾錯(cuò)方法與裝置。

背景技術(shù)：

1、隨著量子物理和量子信息論的發(fā)展，建立在量子力學(xué)原理基礎(chǔ)上的量子密碼學(xué)已經(jīng)被證明具備信息論意義上的無(wú)條件安全性。其中，最具代表性的技術(shù)是量子密鑰分發(fā)(quantum?key?distribution，qkd)。qkd主要包括離散變量和連續(xù)變量?jī)纱蠹夹g(shù)途徑，其中連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)(continuous?variable?quantum?key?distribution，cv-qkd)采用量子光場(chǎng)的正交分量作為信息載體，具備中短傳輸距離內(nèi)安全碼率高，與傳統(tǒng)光通信產(chǎn)業(yè)鏈兼容性好等優(yōu)勢(shì)，是量子密鑰分發(fā)技術(shù)的重要發(fā)展方向。

2、cv-qkd系統(tǒng)包括量子態(tài)的制備、傳輸、探測(cè)和經(jīng)典數(shù)據(jù)后處理等主要步驟，其整體框圖如圖1所示。數(shù)據(jù)后處過(guò)程顯著影響系統(tǒng)整體的安全性和密鑰生成速率，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)后處理之后，alice(發(fā)送端)和bob(接收端)得到一組完全一致的安全密鑰。數(shù)據(jù)后處理流程圖如圖2所示，其中誤碼糾錯(cuò)步驟是決定系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。目前cv-qkd系統(tǒng)在典型傳輸距離下常用的糾錯(cuò)碼為ldpc(low?density?parity-check，ldpc)碼，通過(guò)對(duì)待糾錯(cuò)數(shù)據(jù)進(jìn)行迭代譯碼完成糾錯(cuò)，alice和bob得到了一串完全相同的二進(jìn)制比特序列。

3、當(dāng)傳輸距離較近時(shí)，cv-qkd系統(tǒng)的待糾錯(cuò)原始數(shù)據(jù)信噪比相對(duì)較高，使用ldpc碼進(jìn)行迭代譯碼時(shí)，誤碼糾錯(cuò)容易實(shí)現(xiàn)。然而，隨著傳輸距離的增加，信噪比急劇降低，使用ldpc碼進(jìn)行譯碼后存在大量殘余誤碼，幀錯(cuò)誤率(frame?errors?rate，fer)很高，系統(tǒng)安全碼率嚴(yán)重受限。在長(zhǎng)距離傳輸下，ldpc碼的誤碼糾錯(cuò)性能尚不能完全滿(mǎn)足cv-qkd系統(tǒng)實(shí)際需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、隨著cv-qkd系統(tǒng)傳輸距離的增加，在極低信噪比條件下，基于ldpc碼的誤碼糾錯(cuò)在迭代譯碼后存在大量殘余誤碼，其糾錯(cuò)性能已不能滿(mǎn)足長(zhǎng)距離cv-qkd系統(tǒng)需求。為實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離下cv-qkd系統(tǒng)高效誤碼糾錯(cuò)，本發(fā)明旨在提供一種適用于長(zhǎng)距離cv-qkd的誤碼糾錯(cuò)方法與裝置，將誤碼糾錯(cuò)過(guò)程中隨機(jī)產(chǎn)生的01比特序列與線(xiàn)性分組碼校驗(yàn)矩陣相乘，得到線(xiàn)性分組碼校驗(yàn)比特序列，并將其用于ldpc碼的迭代譯碼過(guò)程中，從而增強(qiáng)了ldpc碼校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)的校驗(yàn)?zāi)芰?，使得ldpc碼校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)在迭代譯碼過(guò)程中可以提供更加準(zhǔn)確的譯碼信息，達(dá)到提高誤碼糾錯(cuò)性能的目的。

2、本發(fā)明提供的一種適用于長(zhǎng)距離cv-qkd的誤碼糾錯(cuò)方法中，設(shè)誤碼糾錯(cuò)使用的ldpc碼校驗(yàn)矩陣h為m行n列，每行行重為k，矩陣元素為hi,j(1≤i≤m,1≤j≤n)；二元線(xiàn)性分組碼生成矩陣g0為k行l(wèi)列，校驗(yàn)矩陣h0為l-k行l(wèi)列，其校驗(yàn)位序列長(zhǎng)度為l-k；在數(shù)據(jù)協(xié)商過(guò)程中產(chǎn)生的隨機(jī)01比特序列為c＝{c1,c2,…,cn}；

3、所述誤碼糾錯(cuò)方法包括如下步驟：

4、(1)構(gòu)造ldpc碼校驗(yàn)矩陣h；

5、(2)對(duì)于ldpc碼校驗(yàn)矩陣h的每一行i，生成序列長(zhǎng)度為k的序列pi＝{cj|hi,j＝1}；

6、(3)使用序列pi生成線(xiàn)性分組碼校驗(yàn)位序列qi，其中，{pi,qi}＝pi*g0，qi長(zhǎng)度為l-k；

7、(4)將線(xiàn)性分組碼校驗(yàn)位序列qi添加到隨機(jī)01比特序列c后，形成新的序列c0＝{c,q1,q2,…,qm}；

8、(5)使用序列c0進(jìn)行數(shù)據(jù)協(xié)商，產(chǎn)生待誤碼糾錯(cuò)的數(shù)據(jù)llr；

9、(6)基于ldpc碼校驗(yàn)矩陣h使用置信傳播譯碼算法，對(duì)數(shù)據(jù)llr中的前n個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行迭代譯碼；對(duì)于迭代過(guò)程中的第i個(gè)校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)的信息更新，基于校驗(yàn)矩陣h0對(duì)數(shù)據(jù)llr中與{pi,qi}對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)使用后驗(yàn)概率譯碼算法實(shí)現(xiàn)；

10、(7)譯碼后得到的序列為u＝{u1,u2,…,un}。

11、進(jìn)一步地，在構(gòu)造ldpc碼校驗(yàn)矩陣h時(shí)：

12、根據(jù)最終需要的誤碼糾錯(cuò)碼率r、誤碼糾錯(cuò)的序列長(zhǎng)度n以及所使用的線(xiàn)性分組碼相關(guān)參數(shù)l、k，計(jì)算出校驗(yàn)矩陣h的行數(shù)m以及列數(shù)n；

13、在ldpc碼校驗(yàn)矩陣h的行重均為k的基礎(chǔ)上，結(jié)合計(jì)算出的ldpc碼校驗(yàn)矩陣h的行數(shù)m以及列數(shù)n進(jìn)行相應(yīng)的度分布優(yōu)化，再使用ldpc碼生成算法根據(jù)優(yōu)化后的度分布函數(shù)構(gòu)造出ldpc碼校驗(yàn)矩陣h。

14、進(jìn)一步地，所述誤碼糾錯(cuò)碼率為

15、本發(fā)明還提供一種適用于長(zhǎng)距離cv-qkd的誤碼糾錯(cuò)裝置，設(shè)誤碼糾錯(cuò)使用的ldpc碼校驗(yàn)矩陣h為m行n列，每行行重為k，矩陣元素為hi,j(1≤i≤m,1≤j≤n)；二元線(xiàn)性分組碼生成矩陣g0為k行l(wèi)列，校驗(yàn)矩陣h0為l-k行l(wèi)列，其校驗(yàn)位序列長(zhǎng)度為l-k；在數(shù)據(jù)協(xié)商過(guò)程中產(chǎn)生的隨機(jī)01比特序列為c＝{c1,c2,…,cn}；

16、所述誤碼糾錯(cuò)裝置包括：

17、ldpc碼校驗(yàn)矩陣生成模塊，用于構(gòu)造ldpc碼校驗(yàn)矩陣h；

18、隨機(jī)比特序列生成模塊，用于生成隨機(jī)01比特序列c；

19、線(xiàn)性分組碼校驗(yàn)位位生成模塊，用于對(duì)于ldpc碼校驗(yàn)矩陣h的每一行i，生成序列長(zhǎng)度為k的序列pi＝{cj|hi,j＝1}；并使用序列pi生成線(xiàn)性分組碼校驗(yàn)位序列qi，其中，{pi,qi}＝pi*g0，qi長(zhǎng)度為l-k；

20、序列重組模塊，用于將線(xiàn)性分組碼校驗(yàn)位序列qi添加到隨機(jī)01比特序列c后，形成新的序列c0＝{c,q1,q2,…,qm}；

21、數(shù)據(jù)協(xié)商模塊，用于使用序列c0進(jìn)行數(shù)據(jù)協(xié)商，產(chǎn)生待誤碼糾錯(cuò)的數(shù)據(jù)llr；

22、迭代譯碼模塊，用于基于ldpc碼校驗(yàn)矩陣h使用置信傳播譯碼算法，對(duì)數(shù)據(jù)llr中的前n個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行迭代譯碼，譯碼后得到的序列為u＝{u1,u2,…,un}；

23、后驗(yàn)概率譯碼模塊，用于對(duì)于迭代過(guò)程中的第i個(gè)校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)的信息更新，基于校驗(yàn)矩陣h0對(duì)數(shù)據(jù)llr中與{pi,qi}對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)使用后驗(yàn)概率譯碼算法實(shí)現(xiàn)。

24、進(jìn)一步地，所述ldpc碼校驗(yàn)矩陣生成模塊在構(gòu)造ldpc碼校驗(yàn)矩陣h時(shí)：

25、根據(jù)最終需要的誤碼糾錯(cuò)碼率r、誤碼糾錯(cuò)的序列長(zhǎng)度n以及所使用的線(xiàn)性分組碼相關(guān)參數(shù)l、k，計(jì)算出校驗(yàn)矩陣h的行數(shù)m以及列數(shù)n；

26、在ldpc碼校驗(yàn)矩陣h的行重均為k的基礎(chǔ)上，結(jié)合計(jì)算出的ldpc碼校驗(yàn)矩陣h的行數(shù)m以及列數(shù)n進(jìn)行相應(yīng)的度分布優(yōu)化，再使用ldpc碼生成算法根據(jù)優(yōu)化后的度分布函數(shù)構(gòu)造出ldpc碼校驗(yàn)矩陣h。

27、進(jìn)一步地，所述誤碼糾錯(cuò)碼率為

28、綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是：

29、在長(zhǎng)距離傳輸條件下，cv-qkd系統(tǒng)信噪比極低，直接使用ldpc碼進(jìn)行誤碼糾錯(cuò)，譯碼之后存在大量的殘余誤碼，導(dǎo)致fer很高，其性能不能滿(mǎn)足cv-qkd系統(tǒng)的長(zhǎng)距離傳輸需求。本發(fā)明方法基于ldpc碼以及二元線(xiàn)性分組碼實(shí)現(xiàn)，將誤碼糾錯(cuò)過(guò)程中隨機(jī)產(chǎn)生的01比特序列與線(xiàn)性分組碼生成矩陣相乘，得到線(xiàn)性分組碼校驗(yàn)位序列，并將其用于ldpc碼的迭代譯碼過(guò)程中，從而增強(qiáng)了ldpc碼校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)的校驗(yàn)?zāi)芰Γ沟胠dpc碼校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)在迭代譯碼過(guò)程中可以提供更加準(zhǔn)確的譯碼信息，達(dá)到了提高長(zhǎng)距離cv-qkd系統(tǒng)誤碼糾錯(cuò)性能的目的，從而保證了cv-qkd系統(tǒng)的安全碼率。