无需监控信号扰动量QKD协议的实际安全性关键问题研究

Quantum key distribution (QKD) protocol, the fundamental protocol of quantum cryptography, exploits the basic idea of quantum mechanics that any attempt to distinguish encoded quantum states causes a disturbance in the signal.As a result, implementation of a QKD protocol involves an estimation of signal disturbanceintroduced by eavesdropper’s intervention. The newly proposed method without monitoring signal disturbance could not only generate higher key rate, better tolerance of bit error, but also achieve farther transmission distance. We focus on the practical security of QKD protocols without monitoring signal disturbance in these following directions: i) the practical farthest transmission distance of QKD protocols without monitoring signal disturbance under general experimental environment; ii) the security of QKD protocols without monitoring signal disturbance under special environment that can eliminate all the side channels on commercial QKD system; iii) the finite-key security of QKD protocols without monitoring signal disturbance. The results of the proposal will greatly advance long-distance and high-secure quantum communication, and also are crucial to the development of quantum communication network.

量子密钥分配（Quantum Key Distribution，即QKD）协议是量子密码研究的主要内容，其原理是窃听者区分编码量子态的任何操作均会扰动信号，所以传统QKD协议都是通过监控信号扰动量来判断是否存在窃听。新近提出的无需监控信号扰动量QKD协议不仅提高了密钥产出率，增加了比特容错率，而且还延长了传输距离。本项目旨在研究不同应用环境下无需监控信号扰动量QKD协议的实际安全性，具体研究内容为：1）给出普通实验环境下无需监控信号扰动量QKD协议的实际安全传输距离的最大值；2）研究可消除商业QKD系统出现的所有边信道的特殊应用环境下无需监控信号扰动量QKD协议的安全性；3）分析无需监控信号扰动量QKD协议的有限密钥安全性。本项目的研究成果将推动远距离、高安全量子通信的发展，为构建量子通信网络提供参考。

该项目原计划对无需监控信号扰动量QKD协议的实际安全性展开研究，从统计波动出发得到有限密钥率。在获得资助后，该项目进展顺利，取得了以下重要成果：..1）分析了基于两种不稳定光源——第二类型参量下转换（parametric down-convention ，即PDC）和相位随机的弱相干光（weak coherent pulses，即WCPs），的PDS QKD的有限密钥安全性。通过最优化方法得到有限密钥率的下界。并在合理的实验装置参数下，模拟了有限密钥率的下界。模拟结果指出强度波动和统计波动对不稳定PDC光源下的PDS QKD协议密钥率较小，但是不稳定WCP光源下的密钥率急剧衰减，因此PDC光源可广泛应用于实际量子通信。..2）针对四粒子高度纠缠但易受到环境消相干影响的线性团簇态，提出了两个纠缠浓缩协议：协议1基于线性光器件，易于实现；协议2利用非线性cross-Kerr算子检验初始粒子和附加粒子的奇偶性，通过循环实验，成功概率超过90%。鉴于四粒子线性团簇态的广泛应用，这两个纠缠浓缩协议可应用于量子通信的不同领域。此研究结果可应用于量子通信的不同应用场景。..该项目计划发表SCI论文5篇，实际发表SCI论文9篇，其中中科院JCR分区2区以上论文3篇。项目主持人获得资助后，同年底被评为副研究员，2018年以第4完成人获得中国通信学会科学技术奖二等奖。