实际量子密钥分发系统安全性研究

Quantum key distribution (QKD) admits two legal users to share an unconditional security key, which is guaranteed by the principle of quantum mechanics. However, due to the imperfection of practical devices, there exist many potential loopholes in the practical QKD system, which can be exploited by Eve to spy the final key. Here, we test and analyze the commercial QKD product and practical optical or electrical devices to find potential loopholes existed in these systems, then theoretical model will be set up to analyze the relationship between the discovered loophole and the security of QKD system. At the same time, we will test and analyze the effectivity of different countermeasures proposed to remove known quantum hacking strategies, by modifying such quantum hacking strategies. Furthermore, we will propose and demonstrate new QKD protocols and experimental schemes which are immune from the quantum hacking and noise.

基于量子力学的基本原理，合法通信双方可以通过量子密钥分发（QKD）建立起无条件安全性的密钥，进而保证信息的无条件安全性。但是，受器件非完美性的影响，实际QKD系统中存在潜在的安全性漏洞。本项目针对商业QKD产品和实际光电设备开展安全性测试和分析，研究其中可能存在的安全漏洞，并建立相应的模型分析这些安全漏洞对实际QKD系统安全性的影响。同时，我们将通过修改已知量子黑客攻击方案来研究不同防御措施的有效性。进一步，我们将开展新QKD协议和实验方案的研究，以保证QKD能够更好的抵抗量子黑客和环境噪声的影响。

本项目主要针对QKD的实际安全性开展研究，从量子黑客攻防、安全模型分析和测评、抗量子黑客和环境噪声高效QKD的实现三个方面开展研究。希望通过项目的研究，解决QKD实际应用中的潜在安全性问题，从而提高QKD系统在实际运行环境下的安全性，并为QKD实际安全标准的建立提供理论和技术支撑。在项目的资助下，课题组在Optica、Physical Review Applied、Optics Letters等国际著名期刊发表SCI论文12篇（其中9篇项目负责人为第一作者和通讯作者），获发明专利授权2项（项目负责人均为专利负责人）。核心器件方面，课题组完成了高速量子随机数和室温高速单光子探测器等核心器件的研制；分析了诱骗态可区分性、激光种子攻击、脉冲致盲攻击等量子黑客攻击方案4种，建立了一种统一的安全性模型能够实现对源和探测缺陷的同时分析评估；搭建了160km长距离参考系和测量设备双无关QKD系统等4套高效QKD实验系统。