两路量子密码与简单量子网络安全性理论研究

The crucial role of quantum cryptography is its security. The two-way quantum key distribution protocols are efficient to generate sifted key when the transmission distance is not very long (e.g., the inter-city communication). In this project, we will study the security of two-way quantum cryptography and simple quantum network against practical attacks, based on the previous work of us. Firstly, we will study the security of quantum key distribution with a two-way quantum chanel against photon-number-splitting attacks, and the security of the final key bits against detector-side-channel attacks. Next, we will investigate how to improve the security of two-way quantum key distribution protocols against practical attacks, in particular its security against detector-side-channel attacks. In the following, we will study the security of the simple quantum network protocol constructed on the basis of two-way quantum key distruction protocols. We will study the unconditional security of this quantum network with quasi-ideal setting. Then, we study the security of this quantum network against practical attacks, including the photon-number-splitting attacks, and the detector-side-channel attacks. Finally, we will try to find how to improve the security of this quantum network against practical attacks by modifying the protocol itself.

安全性是量子密码研究的核心内容之一。两路量子密码在短距离通讯时具有成码率高的优点，并可依此构建简单量子网络。在本申请项目中，我们拟在前期工作基础之上，研究两路量子密码以及简单量子网络在实际攻击下的安全性。首先，我们研究两路量子密码协议在劈裂光子数攻击下的安全性，以及两路量子密码在探测器侧信道攻击下的安全性。然后，给出针对劈裂光子数攻击以及探测器侧信道攻击下的改进方案，计算出最终密钥量。接下来，我们将在两路量子密码协议基础上构建简单量子网络协议，并研究该量子网络的安全性。我们将研究该量子网络在准理想装置下的安全性，给出准理想条件下该量子网络协议的无条件安全性证明，并计算出最终密钥量。在此基础上，我们研究在实际攻击下该量子网络的安全性，包括劈裂光子数攻击，以及探测器侧信道攻击等。最后，我们将研究如何通过改进协议，提高在侧信道攻击下该量子网络的安全性。

在本项目基金的支持下，我们证明两路量子密钥分发协议在前进线路B-to-A中针对被动型探测器侧信道攻击的绝对安全性；同时还对实际量子密钥分发系统中的随机攻击模型进行了研究，分析了随机性攻击下的最终密钥率。在简单量子网络构建过程中，我们提出了一种可行的单光子量子路由器；我们还研究了两个量子发射器耦合在一维耦合谐振器波导中的单光子的相干传输特性。作为上一个基金课题的延续，我们还系统研究了黑洞霍金辐射和早期宇宙的真空暴胀模型。此外，我们还对量子信息和量子计算中的信息克隆、单光子路由和量子iSWAP门进行了研究。在本项目支持下，我们合计发表论文14篇，其中在Physical Review A上发表论文三篇，在Physics Letters B、Nuclear Physics B、Classical and Quantum Gravity上各发表论文一篇。