设备无关量子密钥分配协议的关键问题研究

设备无关量子密钥分配（DIQKD）颠覆了"密码系统只能达到其物理安全性"的传统观念，是量子密码领域重要的新概念。本项目围绕DIQKD的两个公开待决问题以及与其应用直接相关的一个重要问题开展研究，具体包括：（1）证明DIQKD协议的安全性。建立DIQKD中Eve所得最大信息量与相关Bell不等式违背量之间的界限关系；建立设备无关下纠缠度与相关Bell不等式违背量之间的界限关系，为给定错误率的情况下寻找最佳攻击提供思路。（2）提高DIQKD协议的容错率。重点研究高维系统DIQKD中Eve所得最大信息量与高维Bell不等式违背量之间的界限关系。（3）提高DIQKD协议的密钥生成率。重点研究传统QKD中提高效率的方法在DIQKD中的可行性。上述研究有望解决DIQKD理论和应用中存在的某些关键问题，其成果将把刚刚萌芽且有重大意义的DIQKD研究推向深入，最终从理论上推进量子密码实用化进程。

该青年基金项目的主要内容是设备无关量子密钥分配协议的安全性问题，研究设备无关情形下密钥生成率与Bell不等式违背量以及容错率的关系，寻找提高密钥生成率和效率的方法，探索量子态区分等量子信息论工具在设备无关QKD安全性证明中的应用，探索传统QKD转化到设备无关QKD的可行性。经过不懈的努力，项目组按照计划基本完成了研究任务，主要成果包括：设计了可以提高设备无关QKD密钥率的测量设备无关QKD，并证明了安全性，该成果被2014年Nature上一篇论文所引用；设计了半设备无关下随机数产生的扩张算法，为设备无关QKD的安全性证明提供了新的思路；在可用于设备无关QKD安全性证明的量子态区分方面得到了系列结果：(1) 利用正交直积态得到了混合态区分的方法；(2) 得到了关于W类态等纠缠态区分的系统结论；(3) 对高维系统正交直积态的非局域效应得到进一步结论；设计了设备受限的QKD协议和量子强掷币协议；设计了其他一些专门针对设备的量子密码协议等。.本项目的预期考核指标为“项目结题时发表论文11篇以上，其中SCI刊源论文8篇以上，国际期刊论文5篇以上。”目前项目组已经超额完成了计划的研究内容，现已发表SCI检索论文44篇（请见成果清单），其中国际期刊论文42篇，包括权威国际期刊《Ph ysical Review A》8篇、《Optics Express》1篇、《Quantum Information and Computation》1篇。.在项目取得可喜进展的同时，负责人的科研水平也有了较大提高。负责人于2013年7月至2014年7月赴美国普林斯顿大学跟随美国科学院院士Lieb教授进行合作研究，并在此项目的基础上，对基于纠缠的量子密码协议的安全性证明有了新的思路。以此项目为依托，负责人指导研究生学位论文被评为北京邮电大学优秀硕士学位论文，并且负责人于2014年被遴选为博士生导师。