实际系统量子密钥分配安全性理论研究

The crucial role of quantum key distribution (QKD) is its security. With the rapid developments of experimental studies, the security of QKD against practical attacks has drawn more and more attentions of scientists. Recently, we have presented an unconditional security proof of a deterministic QKD protocol with a two-way quantum channal (two-way QKD). In this project, we will study the security of two-way QKD protocols against practical attcks. First, we will study its security against photon-number-splitting (PNS) attacks. Next, we will study the security of two-way QKD against practical attacks that implement the imperfection of single photon detectors. Then we study the security of two-way QKD with finite resources, i.e., the key bits length is finite. In this way, we can obtain the secure final key generation rate against practical attacks as well as the key transmission distance in commercial optical fibers. In the following, we will compare the two-way QKD cryptosystm with that of plug-and-play quantum cryptosystem of ID Quantique to improve their security. Finally, we will try to prove the unconditional security of some simple QKD network protocols based on our experiences of the unconditional security proof of two-way QKD.

密钥安全性是量子密码研究的核心内容之一。随着实验研究工作的迅速发展，实际系统量子密钥分配的安全性逐渐引起了科学家的高度关注。最近，我们证明了单光子两路量子密钥分配协议的无条件安全性。本项目将在我们前期工作的基础上，进一步研究实际系统两路量子密钥分配安全性。首先，我们拟研究弱相干光源导致的劈裂光子数攻击，并计算窃听者通过劈裂光子数攻击获取的密钥量。其次，我们将研究非理想（商用）单光子探测器对最终密钥安全性的影响。接下来，我们将研究有限长度密钥引起的计算误差。在此基础上，我们把实际系统两路量子密钥分配实验方案与瑞士ID Quantique公司的即插即用量子密码商用系统进行全面比较，从而进一步完善实际系统量子密钥分配方案，提高密钥的安全性。最后，我们拟把研究两路量子密钥分配的方法推广到量子密码网络，证明简单量子密钥分配网络的无条件安全性。

量子密码的核心研究工作就是确保最终密钥的安全性。目前，以BB84为代表的一路协议的安全性已经得到了系统深入的研究，而两路量子密码的安全性、尤其是两路量子密码在侧信道攻击下的安全性，却没有获得充分的研究。在本研究项目中，我们系统深入地研究了两路量子密码在侧信道攻击下的安全性，并且取得了一系列研究成果。1、证明两路量子密码在返回路线上对于探测器侧信道攻击是完全免疫的。一般认为，由于光子需要走一个来回，两路量子密码在侧信道攻击下安全性应该低于BB84协议。我们这项工作表明，和一路量子密码协议相比，两路量子密码协议在侧信道攻击下的安全性和一路量子密码协议至少是相当的。2、证明了两路量子密码协议在前进路线上对于被动型探测器侧信道攻击是绝对安全的。最典型的被动型探测器侧信道攻击当属time-shift攻击。BB84协议在time-shift攻击下是最终密钥是不安全的，而两路量子密码协议对此类型攻击是完全免疫的。3、研究了无漏洞贝尔不等式问题，证明只依靠装置自由设定无法关闭自由基选择漏洞。4、发现了量子纠缠和量子非局域性不是线性关系，并给出例子表明非最大纠缠态可以给出比最大纠缠态更大的贝尔不等式冲突。5、研究了量子态识别与信息获取的关系，并证明量子态识别过程中获取信息达到Holevo上限是准确识别量子态的充分必要条件。在项目资助下，已经发表SCI收录论文5篇，包括JCR2区论文2篇。其余研究成果正在整理成论文或投稿中。