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，涉及一種適用于集成化cv-qkd的快速譯碼方法及裝置。

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)變量兩大技術(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，且可與傳統(tǒng)光通信產(chǎn)業(yè)鏈兼容等優(yōu)勢，是qkd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、探測以及經(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)后處過程顯著影響系統(tǒng)整體的安全性和密鑰生成速率，經(jīng)過經(jīng)典信道上的數(shù)據(jù)后處理之后，alice和bob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，開展集成化的后處理技術(shù)研究是推進(jìn)cv-qkd系統(tǒng)實(shí)用化的關(guān)鍵，其中實(shí)現(xiàn)集成化的高速、高效誤碼糾錯是實(shí)現(xiàn)集成化后處理的難點(diǎn)與重點(diǎn)。

3、cv-qkd后處理的誤碼糾錯可以通過具有并行計(jì)算能力的器件進(jìn)行加速，相較于gpu，fpga體積小、功耗低、價格更便宜，更適用于cv-qkd后處理的集成化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。然而，fpga片上硬件資源有限，為實(shí)現(xiàn)快速譯碼，只能基于精度受限的定點(diǎn)數(shù)設(shè)計(jì)譯碼器，導(dǎo)致譯碼后存在殘余誤碼，幀錯誤率很高，極大影響了系統(tǒng)安全碼率。在譯碼器之后級聯(lián)一個殘余誤碼消除模塊是降低幀錯誤率，提升cv-qkd系統(tǒng)安全碼率的一個有效途徑。此外，為了充分利用硬件資源以盡可能提升譯碼速率，現(xiàn)有的譯碼裝置采用多個譯碼器與多個殘余誤碼消除模塊并行的結(jié)構(gòu)。然而，實(shí)現(xiàn)一個殘余誤碼消除模塊需要消耗大量的硬件資源，在多個譯碼器與多個殘余誤碼消除模塊級聯(lián)的譯碼裝置中，殘余誤碼消除模塊所消耗的硬件資源在一定程度上限制了可實(shí)現(xiàn)的譯碼器的數(shù)量，從而限制了整體譯碼吞吐量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、在集成化cv-qkd后處理誤碼糾錯裝置中，現(xiàn)行多個譯碼器與多個殘余誤碼消除模塊級聯(lián)的譯碼方案因殘余誤碼消除模塊消耗了大量硬件資源，導(dǎo)致在有限硬件資源下可實(shí)現(xiàn)的譯碼器數(shù)量減少，限制了其整體譯碼吞吐量。基于殘余誤碼消除步驟運(yùn)行時間遠(yuǎn)少于譯碼過程運(yùn)行時間這一特點(diǎn)，本發(fā)明提供一種適用于集成化cv-qkd的快速譯碼方法及裝置，通過減少殘余誤碼消除模塊的數(shù)量以節(jié)省大量硬件資源，從而有效增加可實(shí)現(xiàn)的譯碼器數(shù)量，達(dá)到提升整體譯碼吞吐量的目的。

2、本發(fā)明提供的一種適用于集成化cv-qkd的快速譯碼方法，所述方法為：

3、采用k個譯碼器和一個殘余誤碼消除模塊進(jìn)行譯碼；

4、k的最大取值根據(jù)譯碼器運(yùn)行時間和殘余誤碼消除模塊運(yùn)行時間計(jì)算。

5、進(jìn)一步地，所述譯碼器與殘余誤碼消除模塊之間設(shè)計(jì)成流水線型的硬件架構(gòu)。

6、進(jìn)一步地，計(jì)算k的方法為：

7、在譯碼器運(yùn)行過程中，使用計(jì)數(shù)器cnt_time1記錄其運(yùn)行時間，當(dāng)譯碼器開始工作時，cnt_time1從0開始計(jì)數(shù)，每個時鐘周期cnt_time1的值加1，譯碼結(jié)束后cnt_time1的值即可表示譯碼器運(yùn)行時間；

8、在殘余誤碼消除模塊運(yùn)行過程中，使用計(jì)數(shù)器cnt_time2記錄其運(yùn)行時間，當(dāng)譯碼結(jié)果存儲單元數(shù)據(jù)存儲完畢后，殘余誤碼消除模塊開始運(yùn)行，cnt_time2從0開始計(jì)數(shù)，每個時鐘周期cnt_time2的值加1，殘余誤碼消除模塊運(yùn)行結(jié)束后，cnt_time2的值即可表示殘余誤碼消除模塊運(yùn)行時間；

9、根據(jù)計(jì)數(shù)器cnt_time1和cnt_time2的值，得到在流水線型的硬件架構(gòu)下，一個殘余誤碼消除模塊最多能支撐的譯碼器數(shù)量，即k的最大取值為cnt_time1cnt_time2向下取整。

10、進(jìn)一步地，k的實(shí)際取值還需要根據(jù)一個譯碼器以及一個殘余誤碼消除模塊所消耗的硬件資源，再結(jié)合所使用的fpga硬件資源總量來確定。

11、進(jìn)一步地，所述消耗的硬件資源包括bram和lut硬件資源。

12、本發(fā)明還提供一種適用于集成化cv-qkd的快速譯碼裝置，包括：

13、k個譯碼器；

14、以及與k個譯碼器連接的一個殘余誤碼消除模塊進(jìn)行譯碼；

15、其中，k的最大取值根據(jù)譯碼器運(yùn)行時間和殘余誤碼消除模塊運(yùn)行時間計(jì)算。

16、進(jìn)一步地，所述譯碼器與殘余誤碼消除模塊之間設(shè)計(jì)成流水線型的硬件架構(gòu)。

17、進(jìn)一步地，計(jì)算k的方法為：

18、在譯碼器運(yùn)行過程中，使用計(jì)數(shù)器cnt_time1記錄其運(yùn)行時間，當(dāng)譯碼器開始工作時，cnt_time1從0開始計(jì)數(shù)，每個時鐘周期cnt_time1的值加1，譯碼結(jié)束后cnt_time1的值即可表示譯碼器運(yùn)行時間；

19、在殘余誤碼消除模塊運(yùn)行過程中，使用計(jì)數(shù)器cnt_time2記錄其運(yùn)行時間，當(dāng)譯碼結(jié)果存儲單元數(shù)據(jù)存儲完畢后，殘余誤碼消除模塊開始運(yùn)行，cnt_time2從0開始計(jì)數(shù)，每個時鐘周期cnt_time2的值加1，殘余誤碼消除模塊運(yùn)行結(jié)束后，cnt_time2的值即可表示殘余誤碼消除模塊運(yùn)行時間；

20、根據(jù)計(jì)數(shù)器cnt_time1和cnt_time2的值，得到在流水線型的硬件架構(gòu)下，一個殘余誤碼消除模塊最多能支撐的譯碼器數(shù)量，即k的最大取值為cnt_time1cnt_time2向下取整。

21、進(jìn)一步地，k的實(shí)際取值還需要根據(jù)一個譯碼器以及一個殘余誤碼消除模塊所消耗的硬件資源，再結(jié)合所使用的fpga硬件資源總量來確定。

22、進(jìn)一步地，所述消耗的硬件資源包括bram和lut硬件資源。

23、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：

24、本發(fā)明基于殘余誤碼消除步驟運(yùn)行時間遠(yuǎn)少于譯碼過程運(yùn)行時間這一特點(diǎn)，通過減少殘余誤碼消除模塊的數(shù)量以節(jié)省大量硬件資源，從而有效增加可實(shí)現(xiàn)的譯碼器數(shù)量，達(dá)到提升整體譯碼吞吐量的目的。

技術(shù)特征：

1.一種適用于集成化cv-qkd的快速譯碼方法，其特征在于，所述方法為：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于集成化cv-qkd的快速譯碼方法，其特征在于，所述譯碼器與殘余誤碼消除模塊之間設(shè)計(jì)成流水線型的硬件架構(gòu)。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的適用于集成化cv-qkd的快速譯碼方法，其特征在于，計(jì)算k的方法為：

4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的適用于集成化cv-qkd的快速譯碼方法，其特征在于，k的實(shí)際取值還需要根據(jù)一個譯碼器以及一個殘余誤碼消除模塊所消耗的硬件資源，再結(jié)合所使用的fpga硬件資源總量來確定。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的適用于集成化cv-qkd的快速譯碼方法，其特征在于，所述消耗的硬件資源包括bram和lut硬件資源。

6.一種適用于集成化cv-qkd的快速譯碼裝置，其特征在于，包括：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的適用于集成化cv-qkd的快速譯碼裝置，其特征在于，所述譯碼器與殘余誤碼消除模塊之間設(shè)計(jì)成流水線型的硬件架構(gòu)。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的適用于集成化cv-qkd的快速譯碼裝置，其特征在于，計(jì)算k的方法為：

9.根據(jù)權(quán)利要求6-8任一項(xiàng)所述的適用于集成化cv-qkd的快速譯碼裝置，其特征在于，k的實(shí)際取值還需要根據(jù)一個譯碼器以及一個殘余誤碼消除模塊所消耗的硬件資源，再結(jié)合所使用的fpga硬件資源總量來確定。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的適用于集成化cv-qkd的快速譯碼裝置，其特征在于，所述消耗的硬件資源包括bram和lut硬件資源。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供一種適用于集成化CV?QKD的快速譯碼方法及裝置，所述方法為：采用k個譯碼器和一個殘余誤碼消除模塊進(jìn)行譯碼；k的最大取值根據(jù)譯碼器運(yùn)行時間和殘余誤碼消除模塊運(yùn)行時間計(jì)算。本發(fā)明基于殘余誤碼消除步驟運(yùn)行時間遠(yuǎn)少于譯碼過程運(yùn)行時間這一特點(diǎn)，通過減少殘余誤碼消除模塊的數(shù)量以節(jié)省大量硬件資源，從而有效增加可實(shí)現(xiàn)的譯碼器數(shù)量，達(dá)到提升整體譯碼吞吐量的目的。

技術(shù)研發(fā)人員：周創(chuàng),李揚(yáng),徐兵杰,羅鈺杰,黃偉,馬荔,楊杰,吳梅
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國電子科技集團(tuán)公司第三十研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2