现实条件下参考系无关类量子密钥分配的理论和实验研究

Quantum key distribution (QKD) is one of the most important branches in quantum information. The achievable secret key rate and secure transmission distance are two significant factors which need to be throughly studied. Without the alignment of reference frames, reference-frame-independent (RFI) QKD protocols can provide more secret key rate and secure transmission distance than reference-frame-dependent (RFD) protocols under the same conditions, and simplify the complexity of practical QKD systems as well. In this project, we focus on practical RFI QKD protocols. Considering intensity fluctuations, state preparation errors, and finite-size effects in practical scenarios, we will propose a universal model to improve the practical security of RFI QKD systems. Full parameter optimization is adopted to increase both the secret key rate and secure transmission distance in RFI QKD protocols. Based on the universal model, we will demonstrate RFI QKD protocols in experiments, to pave the way for their real-life implementations. The results of this project will provide a good reference for practical RFI QKD systems.

量子密钥分配（QKD）是量子信息领域最重要的分支之一，其研究的核心目标是提高实际QKD系统的安全密钥率和安全传输距离。参考系无关（RFI）类QKD协议避免了主动校准参考系的过程，不仅简化了QKD系统的实现难度，而且在相同条件下的系统性能比同类型的参考系依赖（RFD）类系统有所提高。本项目主要研究现实条件下的RFI类QKD协议，拟从现实条件下的光强涨落、态制备误差、有限长效应等因素出发，建立普适的计算模型，给出相应的安全性证明，并构造集体约束条件对实际的RFI类QKD协议进行全局优化，提升其安全密钥率和安全传输距离；在构建的理论模型的指导下，进一步实验验证现实条件下的RFI类QKD协议，加快RFI类QKD系统的实用化进程。项目的研究成果将为现实条件下RFI类QKD系统的研究提供理论方法和技术手段。

基于量子力学的基本原理，量子密钥分配可以提供理论上无条件安全的保密通信。参考系无关类量子密钥分配协议由于避免了主动校准参考系的过程，因而受到了广泛的关注。项目组成员主要针对现实条件影响的参考系无关类量子密钥分配协议开展了如下研究：研究了在考虑光强涨落和有限长效应影响下的参考系无关量子密钥分配的实际安全性；提出了基于偏选基的参考系无关类量子密钥分配协议，并证明在考虑相干攻击下的安全性；提出了一种高效的被动式诱骗态参考系无关量子密钥分配协议；研究了弱随机性对参考系无关类量子密钥分配安全性的影响；研究了基于新型光源的参考系无关类量子密钥分配协议的性能；研究了最差偏转角度下的参考系无关类量子密钥分配系统的性能；提出了基于单诱骗态技术的参考系无关量子密钥分配协议；提出了基于离散相位随机化光源的双场测量设备无关量子密钥分配协议；实现了基于不完美光源的量子密钥分配系统和测量设备无关型量子密钥分配系统等。