量子网络与量子公钥密码理论研究

The security of quantum cryptography is guaranteed by physical principle, and it's is physically secure. Recently, security of quantum communication between two parties, such as BB84, has been studied deeply. In order to increase the user of the secret communication, we need to develop quantum network protocols or quantum public key communication protocols. In this study, we will propose a quantum network protocol and prove its security: we propose a quantum router protocol based on linear optical elements, and prove it can transfer any quantum states; we propose quantum network protocol which should be feasible and robust; we study the unconditional security of proposed quantum network protocol and its security against side channel attacks. Next, we will propose quantum public key communication protocol based on quantum network protocol: we first propose a one-way trapdoor function based on the principles of quantum mechanics; we propose quantum public key protocol based on the one-way trapdoor function, and study its security。 Finally, we study the applications of quantum public key protocol on quantum network and its robustness.

量子密码安全性由物理原理所保证，因此是物理安全的。目前，点对点的量子保密通信，如BB84协议，在理论和实验上都进行了深入地研究。为了增加量子保密通信的用户，需要发展量子网络协议或量子公钥密码协议。在本研究项目中，我们拟首先提出量子网络协议并研究其安全性，具体研究内容包括：提出基于线性光学元件的量子路由器，并证明该路由器能够实现携带信息的量子态具有定向寻址功能；在此基础上，提出实验可行的、具有鲁棒性的量子网络协议；研究所提出的量子网络协议的无条件安全性，以及在侧信道攻击下的安全性。接下来，我们将在量子网络协议的基础上发展量子公钥密码协议，这主要包括：在量子力学基本原理保护下，寻找实验可行的量子单向陷门函数；根据量子单向陷门函数，提出实验可行的量子公钥密码协议，并研究其安全性。最后，我们将研究量子公钥密码协议如何在量子通信网络上得到应用及其鲁棒性。

量子网络协议和量子公钥密码协议可以极大地扩展量子保密通信用户。在本研究项目中，我们系统地研究了量子网络的性质和量子公钥密码安全性。在量子网络中，量子开关是最基本的量子器件，而量子路由器可以将量子信息从一个量子信道引导至另一个信道，它们在整个量子网络中发挥着重要作用。我们证明了一种单光子量子路由器方案不仅可以实现量子路由功能，而且可以保持量子态的高保真度。我们还在一维耦合波导中实现了量子开关。同时，我们还证明了两路确定性量子密钥分发协议（TDQKD）在光子数分裂（PNS）攻击下是安全的。此外，我们还对考虑偶极-偶极相互作用下的单光子传输、量子iSWAP门以及非绝热量子计算也进行了研究。在本项目资助下，累计发表SCI收录论文6篇。