相干态连续变量量子密钥分发理论与技术

Based on the principals of quantum physics, quantum key distribution is a significant method to protect the information security. Recently, the theoretical security of continuous variable　quantum key distribution (CVQKD) using coherent states has been completed, which pushes CVQKD to practical implementation. However, the ideal assumptions in the theoretical security analysis have not taken into consideration the imperfections of the practical devices and the communication environment, which leads to the security loopholes practically. Moreover, the secure transmission distance and secret key rate cannot satisfy the requirement of practical implementation. In this application, we take the practical implementation of CVQKD system as the major purpose, and intend to carry out researches on the theoretical and technical aspects of ‘quantum state preparation’, ‘quantum state transmission’, ‘quantum state detection’, and ‘key distillation’. By making breakthroughs on subjects of ‘practical high-speed quantum random number generation’, ‘the analysis of security loopholes of imperfect quantum state preparation’, ‘security analysis of eavesdropping under finite size’, ‘noiseless linear amplification and its application’, ‘analysis of cross-talk under practical condition’, ‘security loopholes of detector and measurement-device-independent protocol’, ‘detecting extremely weak quantum state’, ’security analysis of post-selection of data’ and ‘high efficiency post-processing under extremely low signal to noise ratio’, we intend to enhance the system’s practical security and improve its secure transmission distance and secret key rate, and acquire a number of independent intellectual property rights of original scientific and technique achievements, in order to construct a good foundation for the applications of CVQKD.

量子密钥分发是基于量子物理原理保证信息安全的重要方法。近年来，相干态连续变量量子密钥分发的理论安全性证明已经基本完成，正在向实用化迈进。但是，由于安全性证明时所采用的是理想性假设，并未考虑实际物理器件的非理想性和实际通信环境的影响，所以系统的实际安全性仍然存在漏洞，其安全距离和安全码率距离实际应用需求还有差距。本项目面向应用需求，拟在量子态制备、量子态传输、量子态探测和密钥提取四个关键环节开展理论和技术研究。通过突破面向实用的高速量子随机数产生、量子态非理想制备安全漏洞分析、有限码长下信道窃听安全性分析、线性无噪放大及其应用、实际通信环境串扰分析、探测器安全漏洞与设备无关协议、高性能平衡零拍探测器、数据后选择安全性研究、高效率极低信噪比密钥信息协商等理论与技术，提升系统的实际安全性，并提高安全距离和安全码率，取得具有自主知识产权的原创性成果，奠定我国在该领域的良好基础。

本项目面向实际应用，对相干态连续变量量子密钥分发协议（CV-QKD）理论和关键技术开展系统深入的研究，围绕着“实际安全性、性能提升和实际应用”，出版《量子密码》专著1部，发表SCI收录文章41篇，培养博士生9人，硕士生14人；申请发明专利30项，其中20项获得授权。重要进展如下：.1. 提升了CV-QKD系统的实际安全性水平.对光源实际安全性问题进行了系统地研究，研制了实用化的光源安全监控模块；提出了测量设备无关CV-QKD协议，在理论上可对抗针对探测器的各种黑客攻击，系统的实际安全性与测量设备无关，并在有限码长、组合安全性框架下对其安全进行了进一步分析证明；提出了CV-QKD接收端本振光安全监控方案，可实时快速标定散粒噪声方差，有效抵御针对本振光的黑客攻击；指出了CV-QKD系统在实际应用环境下，可存在被偏振攻击的安全漏洞。.2. 突破了多种CV-QKD系统性能提升关键理论和技术.提出了使用虚拟减光子操作的CV-QKD协议，可有效提升安全传输距离；提出了线性无噪放大方法，可提纯量子态，提升传输距离；实现了极低信噪比的情况下，高速高效的密钥提取，协调效率最高可达98%，可支持超200 km的传输；实现了基于相位噪声的高速随机数稳定产生；实现了高灵敏度、高带宽、高放大倍数的平衡零拍探测器，带宽最高可达1.2 GHz。.3. 安全传输距离创造世界记录.实现了世界上最远距离的CV-QKD实验室试验，传输距离达到202 km，研究成果发表在《物理评论快报》【Phys. Rev. Lett. 125, 010502 (2020)】上；实现了世界上最远距离的实际光纤外场试验，传输距离达到49.85 km，研究成果发表在《量子科学与技术》【Quantum Sci. Technol. 4, 035006 (2019)】上，一年多的时间SCI引用43次，是ESI高被引论文。英国物理学会、美国科学促进会、美国物理学家组织网、国际光学工程学会等主流学术媒体，迅速将其作为突破性进展予以报道，认为 “50 km的传输能力为CV-QKD的城域应用铺平了道路”。.4. 开创了城域示范应用.与大数据业务结合，在青岛完成了首个完整CV-QKD城域示范应用。三地两段链路总长超过70 km，平均安全码率超过12 kbps，综合性能指标达到国际领先水平。