官方WP | 量子密钥分发协议赛题bb84解析

BB84偏振协议解析

作者：安徽问天量子科技股份有限公司-量子信息教育创新平台产品团队

解题的关键在于以下几点：

1. 根据参考资料，解析csv文件，获取安全密钥序列；
2. 根据线性同余理论从已得到的安全密钥序列中，获取最终用于加密的安全密钥。

1. 根据参考资料，理解EPC1、APD1-APD4数据的含义

• EPC1：为Alice端根据四个偏振量子态调制编码的随机数序列（1,2,3,4），序列长度为n；
• APD1-APD4：为Bob端四个探测器响应序列（0,1），每组序列长度为n，共四组，序列编号分别为1,2,3,4；
  
  

2. 根据参考资料，对于csv文件数据需要进行如下的处理及计算

2.1 获取有效探测序列

2.2 在有效探测序列基础上，获取对基成功序列

• EPC1为1，APD1或APD2为1；
• EPC1为2，APD1或APD2为1；
• EPC1为3，APD3或APD4为1；
• EPC1为4，APD3或APD4为1；

2.3 计算误码率

• EPC1为1，APD2为1；
• EPC1为2，APD1为1；
• EPC1为3，APD4为1；
• EPC1为4，APD3为1；

2.4 计算成码率（安全密钥量）

3. 根据线性同余理论从已得到的安全密钥序列中，选取生成最终用于加密的安全密钥，并完成解密工作

• 根据“一次一密”关键词，可知悉：密钥长度=明文长度；
• 根据“流密码”关键词，可知悉：加密采用对称加密方式，加密和解密时使用同一密钥，且进行异或运算；
• 根据“UTF8编码方式”关键词，可知悉：最终需通过UTF8进行编码得到明文。

// ciphertext密文，srcLen明文长度
string ciphertext = "自定义的密文信息";
char[] charArr = ciphertext.ToArray();
int srcLen = ciphertext.Length / 2;
byte[] byteData = new byte[srcLen];

OriInfoLen = srcLen * 8;
// hexArr：将十六进制数据两两一组，便于后面的异或运算
List<string> hexArr = new List<string>();
for (int i = 0; i < srcLen; i++)
{
  string tempStr = $"{charArr[i * 2]}{charArr[i * 2 + 1]}";
  hexArr.Add(tempStr);
}

// orderKeys线性同余得到二进制数组
int[] orderKeys = GetRandomKey(tmp).ToArray();
// OriInfoLen为密文长度的4倍
for (int i = 0; i < OriInfoLen; i++)
{
  int value = orderKeys[i * 8 + 7] + orderKeys[i * 8 + 6] * 2 + orderKeys[i * 8 + 5] * 4 + orderKeys[i * 8 + 4] * 8 + orderKeys[i * 8 + 3] * 16 + orderKeys[i * 8 + 2] * 32 + orderKeys[i * 8 + 1] * 64 + orderKeys[i * 8] * 128;
  nums.Add(value);
}

/// <summary>
/// 线性同余得到密钥
/// </summary>
/// <param name="keyPool"></param>
/// <returns></returns>
List<int> GetRandomKey(int[] keyPool)
{
  int A = 1709;
  int B = 2003;
  int M = keyPool.Length;
  int indexBegin = 17;
  // newKey： 经线性同余计算得到的索引所对应的的数据
  List<int> newKey = new List<int>();
  newKey.Add(keyPool[indexBegin]);
  for (int i = 1; i < OriInfoByteLen; i++)
  {
    int res = (A * indexBegin + B) % M;
    newKey.Add(keyPool[res]);
    indexBegin = res;
  }
  return newKey;
}

for (int i = 0; i < OriInfoLen; i++)
{
  int value = Convert.ToInt32(hexArr[i], 16);
  int res = value ^ nums[i];
  byteData[i] = Convert.ToByte(res);
}
var plaintext = Encoding.UTF8.GetString(byteData);