QST编辑优选：低复杂度连续变量量子密钥分发自适应协商
文章介绍
通讯作者：
- 黄鹏，上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室，量子感知与信息处理研究所，合肥国家实验室
研究背景：
连续变量量子密钥分发（CV-QKD）系统涵盖了量子信息传输与数据后处理两大核心环节。在数据后处理中，高效的协商速度以及速率对于提升安全码率而言具有举足轻重的作用。要实现这一目标，我们可借助高性能的纠错码进行协商。Raptor码以其卓越的纠错性能和高效率协商能力，成为理想的纠错码候选者。其结构包括外部预编码和内部LT码两部分。在预编码阶段，我们采用高速低密度奇偶校验（LDPC）码对原始密钥信息位进行预处理，确保信息在进入内部LT码之前得到优化。LT码的输出则是基于度分布随机生成的，无需设计特定的校验矩阵，这大大简化了编码过程。然而，LDPC预编码过程中涉及二进制序列与高密度LDPC生成矩阵的乘法运算，其复杂度随着码字长度的增长而急剧上升。特别是在低信噪比环境下，这种复杂度的增加使得LDPC预编码在实际应用中显得不切实际。这一问题直接限制了协商的速率，进而影响了CV-QKD系统的整体性能以及成本复杂度。因此，如何在保持高效率的同时降低编码的复杂性，成为我们当前面临的重要挑战。
研究内容：
Raptor码的思想是在LT编码之前，通过LDPC码对二进制随机序列进行预编码。本文提出的协议用计算校验子替代了预编码，使用长度为l的随机二进制序列作为LT变换的输入，而先前的基于Raptor码协议使用由LDPC码编码的长度为k的随机二进制序列作为LT变换的输入，其中k<l。因此，所提出协议中原始密钥的长度更长。
计算校验子需要将随机二进制序列乘以一个低密度奇偶校验矩阵，而不是LDPC预编码中所需的高密度生成矩阵，这降低了Bob端计算复杂度，如图1所示。
图1 LDPC编码和计算校验子的复杂度对比图
此外，本协议通过改进的Raptor码实现了更高的协商效率，具有更好的纠错性能，从而实现更高的密钥率。如图2所示本协议在协商FER为0.99时可以实现98.1%的协商效率，理论传输距离超过标准单模光纤165公里。综上，本协议具有比传统基于Raptor的多维协商协议更高密钥率的和更少的硬件成本。
图2 最终密钥率vs距离仿真图
作者介绍
- 黄鹏，上海交通大学副研究员，博士生导师。研究领域为连续变量量子保密通信。主持国家自然科学基金、GF863及上海市市级重大专项等项目10余项。在Photonics Res., New J. Phys.等著名期刊上发表SCI论文100余篇，引用2900余次，H指数28，申请美国及中国发明专利70余项，担任SCI期刊Symmetry主题编辑、Mathematics客座编辑，并获得湖南省自然科学二等奖两项。
期刊介绍
- 2022年影响因子：6.7 Citescore：11.6
- Quantum Science and Technology（QST）是一本多学科、高影响力的期刊，致力于出版涵盖所有量子技术科学和应用的高质量和重要的研究。QST涵盖应用数学、凝聚态物质、量子光学、原子物理和材料科学的各个领域，并涉及到化学、生物学、工程学、计算机科学和机器学习。除了定期的原创研究外，QST还出版专题综述和征集热点问题文章的特刊，从而对该领域最新和最有趣的研究进行概述。