连续变量量子密钥分发系统高吞吐量纠错技术研究

Quantum key distribution technology has a broad application prospect in government affairs, finance, diplomacy, military and other fields. Among them, continuous-variable quantum key distribution protocol can utilize existing optical communication devices without single photon source and single photon detector, and has the potential to obtain high key rate by improving the system repetition frequency. It is an important direction in the field of information security and also a research hotspot. At present, the postprocessing error correction throughput limitation is one of the bottlenecks that restrict the rate improvement of continuous-variables quantum key distribution. In order to enhance error correction throughput, this project intends to study the scientific reason for error correction throughput limitation, focus on optimizing the multi-edge type low density check code error correction scheme, exploring the non-iterative neural network decoding error correction scheme and verifying the error correction scheme in the real channel, provide key technical support for new generation of high speed continuous-variable quantum key distribution system, and promote the practical process of the continuous-variable quantum key distribution technology.

量子密钥分发技术在政务、金融、外交、军事等领域具有广阔的应用前景。其中，连续变量量子密钥分发协议可利用现有光通信器件，无需单光子源和单光子探测器，具有通过提高系统重复频率获得高密钥速率的潜力，是信息安全领域的重要发展方向，也是当前的研究热点。目前，后处理过程纠错吞吐量限制是制约连续变量量子密钥分发的速率提升的关键瓶颈问题之一。针对这个难题，以提升纠错吞吐量为目标，本项目拟深入研究制约纠错吞吐量提升的核心科学原因，重点开展多边类型低密度校验码纠错方案优化研究、新型神经网络非迭代译码纠错方案探索研究和真实信道纠错方案验证研究，为新一代高速连续变量量子密钥分发系统提供关键技术支撑，推进连续变量量子密钥分发技术的实用化进程。

随着量子计算等新型破译技术的发展，传统的基于算法安全性的密码体制受到严重威胁，严重影响各类国防、电力、金融等关系国家命脉的行业的安全性。量子密钥分发技术基于量子物理基本原理，具有信息论可证安全性，可抵御以量子计算为代表的新型破译攻击。现有的量子密钥分发技术主要分为离散变量和连续变量两大类。其中，连续变量量子密钥分发可采用成熟的相干光通信器件，在城域范围内具有潜在安全码率高的优势。然而，对于连续变量量子密钥分发技术，信号的信噪比极低，后处理特别是其中的密钥纠错难度非常大，纠错速度慢，严重制约了连续变量量子密钥分发技术的实时安全码率。本项目针对制约CV-QKD实时后处理的纠错译码技术瓶颈，首先，开展了制约纠错吞吐量提升的科学问题探索。研究发现，由于信号的信噪比极低，纠错译码需要多次迭代才能实现所有错误的纠正，制约了纠错吞吐量的提升。接着，开展了适用于CV-QKD的高吞吐量纠错理论研究。基于常规的纠错译码算法迭代次数过多的问题，提出采用基于准循环方案的分层译码方案。然后，开展了高吞吐量纠错方案优化设计。通过环消除算法优化准循环矩阵的性能，通过分层译码提升吞吐量。最后，针对CV-QKD系统实际情况，系统开展了CV-QKD实验与理论研究，为CV-QKD真实信道的高吞吐量纠错方案提供了优化基础，并针对实际CV-QKD系统，完成了纠错方案验证研究。同时，系统研究了有限纠错能力对CV-QKD性能的影响。本项目针对CV-QKD典型传输距离，在码率为0.1,0.05和0.02时，实现了64.11Mbps，48.65Mbps和39.51Mbps的最高译码吞吐量，该技术指标相比当期公开文献报道的最高记录提升超过1倍，达到国际领先水平，研究成果已成功应用了实际CV-QKD系统，为新一代高速CV-QKD系统提供了关键技术支撑。