新型被动式诱骗态量子密钥分配的理论与实验研究

The measurement-device-independent quantum key distribution (MDI-QKD) is becoming a research hotspot in the field of quantum cryptography, since it possesses the highest level of security among all practical protocols of the quantum key distribution (QKD). Moreover, the combination of the MDI-QKD protocol and the decoy-state method can make the QKD system being immune to all attacks directed either on detectors or non-ideal photon sources. However, there exist shortcomings in present decoy-state MDI-QKD setups. For example, in order to generate different decoy states, an acousto- or electro-optic modulator is often applied to modulate light sources into different intensities, which inevitably brings into modulating uncertainties, causing intensity errors and thus depressing the performance of practical MDI-QKD systems. In view of those shortcomings existing in present QKD systems, we plan to carry out research on the passive decoy-state MDI-QKD protocols. On one hand, we put forward new types of schemes on the passive decoy-state MDI-QKD, constructing more general computation models and performing full parameter optimizations. One the other hand, we intend to realize those schemes in experiment, demonstrating their excellent performance and thus promoting practical implementations of the QKD.

测量装置无关的量子密钥分配（MDI-QKD）协议正成为目前量子密码领域的研究热点，它也是现有技术条件下能够实现的所有量子密钥分配（QKD）协议中安全性最高的一种协议。将它和诱骗态方法相结合，可以免疫所有针对探测端和非理想光源的各种攻击手段。然而现有的主动式诱骗态MDI-QKD方案存在着种种缺陷。比如为了随机地制备出不同强度的信号态和诱骗态，一般使用声光或电光调制器来主动调制激光器的光强，不可避免地产生调制误差，引入光强涨落，从而使得诱骗态技术的基本假设条件不再满足，进而影响实际系统的安全性。针对现有的QKD系统存在的缺点和不足，我们拟提出和发展新型被动式诱骗态QKD的方案。对其构建普适的计算模型，并进行全局优化，进一步提高其系统性能，从而实现具有更高实际安全性的QKD系统。另一方面在相应的计算模型的指导下，我们拟实验验证我们的新型被动诱骗态方案，进而推动其实用化进程。

目前大多数的诱骗态量子密钥分配系统中，一般使用声光或电光调制器来主动调制激光器的光强，该主动式诱骗态技术存在着一些无法克服的缺点：比如，声光或电光调制器在随机高速地调制光强时不可避免的会产生调制误差，引入一定的光强涨落，使得诱骗态技术的基本假设条件不再满足，进而影响实际系统的安全性；其次，强度调制器的调制速率在很大程度上制约着量子密钥分配系统的重复频率，而且在主动调制光强的过程中会引入一定的边信息，使得窃听者能够以很大的概率区分出信号态和诱骗态，降低了系统的实用性和安全性。.在此背景之上，我们团队首次提出了一种基于参量下转换光源的被动式诱骗态量子密钥分发新型协议，该协议不需要主动调制光源强度，避免了其他多强度诱骗态方案中由于强度调制可能存在的侧信道漏洞。在此理论基础之上，我们完成了被动式诱骗态量子密钥分配实验，首次使用量子光源实现超过200公里的量子密钥分配。具体实验结果表明，在相同的传输距离下，与以往的基于标记单光子源的量子密钥分配实验相比，成码率提高了两个量级；与基于衰减激光光源的BB84协议量子密钥实验相比，成码率相近。但是考虑到我们的实验不存在光源强度调制误差，而此前的诱骗态实验都存在这一缺陷，因而从整体性上考虑，我们的实验整体系统性能更优。该成果近期发表在光学领域知名学术杂志Optics Express上。.此外，本团队还研究了被动式量子数字签名协议，以及现实条件下参考系无关和测量设备双无光量子密钥分发（RFI-MDI-QKD）协议，提出了偏选基诱骗态RFI-MDI-QKD新方案，在理论上提升了MDI-QKD的实用性和鲁棒性。.在本项目的资助下，本人在本领域知名学术期刊发表高水平论文四十多篇，培养了多名具有深入发展潜力的博士生和硕士生，且所带研究生多次获得国家励志奖学金、优秀学业奖学金和优秀研究生奖学金等。总之，圆满完成了该项目的既定目标。