抗量子黑客的实际量子密钥分发新协议及实验方案研究

Quantum cryptography has been widely researched due to its unconditional security, and has been applied in some practical situations. However, since the practical setups are imperfect, the practical quantum cryptography system will suffer from the quantum hacking strategy, then the unconditional security of the practical system will be compromised. Here we analyze the quantum hacking strategy based on the loopholes of the practical quantum cryptography system, and demonstrated some hacking strategies in expreiment. Then we will establish the relationship between the parameters of the practical setups and the security of the practical system, which is a guide to the design of the practical system. Finally, we design new protocol and experimental scheme to close the loopholes of the practical system, and guarantee the security of practical quantum key distribution system.

量子密码因其无条件安全性近年来引起人们的广泛关注，并逐步开始走向实用化。但由于系统中实际设备的非完美性,实际量子密码系统将会遭受量子黑客攻击,从而严重影响系统在实际应用中的安全性。本项目针对实际量子密码系统中的安全性漏洞分析量子黑客攻击方案,并进行相应的实验研究。同时,项目将针对系统中关键器件建立器件性能指标和系统安全性的关系,从而为系统搭建的设备选定提供理论指导。进一步的,项目将设计抗量子黑客攻击的量子密钥分发新协议及实验方案，并进行相应的实验研究,从而确保实际系统能够关闭实际设备非完美性所引入的安全性漏洞,进而促进量子密码系统的实用化。

本项目主要研究实际QKD 系统中设备非完美性所引入的安全性漏洞，建立设备关键性能指标和系统安全性的关系，探索基于设备非完美性的量子黑客攻击方案，设计抗量子黑客的实际QKD 新协议及实验方案，从而保证QKD 系统在实际运行环境下的安全性，以促进QKD 的实用化。通过项目建设，完成了全部研究内容，发表SCI论文12篇。我们提出了4种量子黑客攻击方案，并对其中3种进行了实验验证；针对实际QKD系统中的源缺陷问题开展了理论和实验研究，从理论上研究了具有源缺陷的参考系无关QKD的安全性；从实验上完成了具有源缺陷损耗容忍QKD的实验验证；针对抗量子黑客攻击的MDIQKD协议开展了理论和实验研究，从理论上提出了连续变量MDIQKD方案和被动诱骗态MDIQKD方案，从实验上开展了time-bin编码MDIQKD和plug-and-play MDIQKD的实验研究。