基于量子光源的量子密钥分配的理论与实验研究

Quantum key distribution is the core of quantum cryptography, and currently it is becoming one of the most important directions of scientific research in the field of quantum information. In this project, we are going to carry out both theoretical and experimental research on the quantum key distribution with quantum photon sources, especially, the heralded single-photon sources from parametric down-conversion processes. In order to improve the efficiency and the implementability of present quantum cryptography systems, we are going to put our attention onto practical protocols on the measurement-device-independent quantum key distribution (MDI-QKD); On one hand, we are going to pursue new type of theoretical proposals and high efficient calculation methods on quantum key distributions. On the other hand, we are going to experimentally combine the heralded single-photon sources and present quantum cryptography systems together, realizing corresponding experimental demonstrations on secure quantum key distributions, particularly, the decoy-state MDI-QKD protocols with heralded-single photon sources, so as to lay the foundation for the utilization of the quantum key distribution in the near future.

量子密钥分配是量子保密通信的核心，也是目前量子信息领域最重要的科学研究方向之一。本项目主要进行基于量子光源，尤其是指示单光子源的量子密钥分配的理论与实验研究。以提高现有量子密钥系统的效率与实用性为目标，以在现有技术水平下可以实现的不依赖于测量装置的量子密钥分配（MDI-QKD）协议为重点，探讨基于量子光源的量子密钥分配的新型理论方案和高效成码率的计算方法;另一方面，在实验上把指示单光子源与现有的量子密钥系统结合起来，进行演示性的量子密钥分配实验，重点实现基于指示单光子源的诱骗态MDI-QKD协议, 从而为量子密钥分配向实用化方向发展奠定基础。

现有大多数量子密码系统中常用的光源是弱相干态光源，该光源具有较高的真空脉冲的比重，从而制约了量子密钥分配的安全传输距离和成码率。针对以上缺点，该项目主要开展基于量子光源的量子密码的理论与实验研究。在项目实施期间，首先，项目负责人王琴教授及其团队在理论上提出一系列新型量子密钥分配方案和协议，比如基于量子光源的被动式量子密钥分配方案[Phys. Rev. A 93, 032312 (2016)]，以及基于标记单光子源的测量装置无关的量子密钥分配协议等[Phys. Rev. A 96, 052337 (2017)]。其次，王琴教授团队提出了一种新型被动式诱骗态量子数字签名方法，并应用于量子数字签名系统中。在量子数字签名的密钥分发阶段，本研究利用参量下转化过程产生信号光和休闲光，信号光发送给接收端，休闲光用于本地探测。发送端的本地探测包含一个分束器(BS)和两个探测器(D1,D2)，可以产生四种不同的响应事件。这四种不同的响应事件可以用来构建新型被动式诱骗态方法，使得在满足给定安全性的条件下能够用于签名的密钥大大增加。最终，该团队实现了相当于200km光纤链路衰减的被动式诱骗态量子数字签名实验系统，在安全性和效率上均达到国际领先水平，对量子数字签名的实用化进程起到重要推进作用。