基于极化码与组合群试的高效量子密钥分配后处理研究

Quantum key distribution (QKD) is the first applicable technology of quantum information science. The existing post-processing algorithm for QKD has the disadvantages of low efficiency and high latency, which becomes the bottleneck of implementing high-speed QKD in practice. Aiming at designing efficient post-processing algorithm for high-speed QKD system, the project will first study complete wiretap channel model in QKD, secure polar coding and fast decoder for wiretap channel, fine-grained integrity verification algorithm for the secret key bits, and the comprehensive efficiency evaluation model for post-processing algorithm. Using Wyner’s wiretap channel theory and Arikan’s channel polarization theory, we try to solve two key problems including secure channel polarization under complete QKD wiretap channel model and comprehensive efficiency evaluation of post-processing algorithm combining error correction and integrity checking. Then, we will design polar codes based error correction algorithm for complete QKD wiretap channel model to increase error correction efficiency, fine-grained key integrity checking algorithm using combinatorial group testing to reduce the payload of key bits, and propose a high efficient post-processing algorithm combined the two proposed designs to achieve higher key reconciliation efficiency and key generation rate. The proposed research will make quantum key distribution more practical and being widely applied in the future.

量子密钥分配是量子信息科学第一个得到实用化的技术。目前的量子密钥分配后处理存在处理速度慢、比特开销大的缺点，制约了密钥生成速率的提高和量子密钥分配的进一步实用化。本项目以设计面向高速量子密钥分配的高效后处理算法为主要研究目标，具体研究完备的量子密钥分配窃听信道模型、完备窃听信道模型下的信道极化及安全极化码纠错、细粒度的密钥比特数据校验算法和后处理算法的综合效率评价这四方面的内容，以Wyner窃听信道理论和Arikan的信道极化理论为基础，重点解决量子密钥分配完备窃听信道模型下的安全信道极化以及后处理算法的综合效率评价这两个关键科学问题，创新性地设计窃听安全的极化码纠错算法、基于组合群试的细粒度密钥数据校验、以及基于极化码与组合群试的高效综合后处理算法，达到提高量子密钥处理效率和生成速率的最终目标。本研究对于提高量子密钥比特率、推进量子密钥分配实用化有较高的理论意义和实用价值。

量子密钥分配是量子信息科学第一个得到实用化的技术。目前的量子密钥分配后处理存在处理速度慢、比特开销大的缺点，制约了密钥生成速率的提高和量子密钥分配的进一步实用化。本项目完成了量子密钥分配窃听信道模型与窃听信道安全容量研究；针对极化码在量子密钥分配后处理的应用，对信道极化理论、极化码构造法、极化码译码算法进行了理论研究和实验测试；设计了基于极化码的量子密钥协商方案，实验结果显示：支持密钥生成速率可达到512Kbps；进一步采用GPU实现了极化码译码算法的并行化处理，系统的吞吐率提升至13Mbps；在FPGA上实现了极化码后处理芯片设计，吞吐率可达到156MHz。设计了基于极化码的量子信道直接极化通信，该编码方案可以同时实现量子密钥分配系统在量子信道上的安全性和可靠性，节省了后处理环节中的纠错与密性放大环节，减少后处理过程的瓶颈效应。项目取得以下成果：发表/录用学术论文19 篇，其中SCI 检索11篇，EI 检索6篇，受邀请报告1次，出版论著（章节）1部；申请专利6 项，授权2项；获得省部级以上奖励10项；项目负责人入选“国家留学基金委员会-国家公派青年骨干教师出国研修项目”（2016）、“广东省优秀青年教师培养计划”（2016）、广州市创新领军团队（2017；开发了软件验证程序、硬件验证芯片各一套。项目研究成果可应用于量子密钥分配系统中提高后处理系统的处理速度和密钥生成率。