自由空间信道中的测量装置无关量子密钥分发研究

Quantum key distribution (QKD) offers an approach of information-theoretically secure key extension between two remote parties, based on the fundamental principles of quantum mechanics. However, there is a big gap on the security between theory and practice, due to the imperfection of the devices. Recently, the measurement-device-independent (MDI) QKD protocol, which closes all loopholes on the detection system at once, was presented. The fiber-based MDI-QKD has rapidly developed towards the stage for real-life application in recent years. With the successful launch of the ‘Micius’ quantum science experiment satellite, using the satellite is widely regarded as the most promising way to realize the global-scale QKD. However，the theoretical and experimental research of MDI-QKD based on the free space channel is only in its infancy. Here, in this project, we plan to perform the theoretical study on the security of the free space MDI-QKD protocol, the efficiency algorithms for the secure keys, and develop the key technologies on implementing the MDI-QKD involving the atmospheric free space channel or the satellite in space.

量子密钥分发（QKD）技术为人们提供了一种理论上可以被证明无条件安全的密钥分发方案。但是，现实中的QKD系统使用的仪器设备均存在不同程度的不完美性，导致其与理论上QKD的无条件安全性之间还存在着不小的差距。针对探测系统的不完美性，最近，加拿大学者提出了测量装置无关(MDI) QKD方案，从根本上避免了所有和探测系统有关的安全漏洞。基于光纤信道的MDI-QKD发展迅猛，目前已接近实用化。随着“墨子号”量子科学实验卫星的成功发射，利用卫星平台实现覆盖全球的量子通信网是目前普遍认为最具可行性的技术途径。但是，目前基于自由空间信道的MDI-QKD的理论和实验研究都还处于相对空白阶段。本项目瞄准这一国际前沿领域，拟开展自由空间信道中MDI-QKD的相关研究，理论与实验相结合，在安全性分析、高效率密钥提取算法、利用近地大气和“墨子号”平台开展MDI-QKD相关关键技术攻关验证方面取得重要突破。

利用卫星进行星地测量设备无关(MDI)量子密钥分发(QKD)是实现远距离QKD的一种可行手段，卫星与地面基站之间的信道是自由空间信道，自由空间信道的情况与光纤信道有着较大的差异。以往的MDI-QKD研究，无论是理论研究还是实验研究，基本上都是基于光纤信道的研究，得到的结果不能直接应用到自由空间信道的MDI-QKD系统中。我们研究了自由空间信道的MDI-QKD理论模型，根据自由空间信道的不对称性和衰减变化特点，来改进四强度诱骗态MDI-QKD协议，并提出优化算法以及针对不稳定信道的实时衰减补偿方案。利用上面得到的理论结果，我们在上海市开展了近地自由空间信道MDI-QKD实验，通过发展独立光源频率校准技术、独立时钟同步技术、自由空间信道主动稳定技术，最终成功的完成了实验演示，得到了6.11bps的成码率。在该近地自由空间信道实验中获得的经验，为以后的星地MDI-QKD实验奠定了基础。另外，基于量子卫星墨子号的历史数据，我们分析了星地自由空间信道的特点，针对主要影响干涉的问题进行了探讨，显示在合适的光源和实时补偿到达时间的情况下，星地MDI-QKD具有一定的可行性。