抗集体噪声的测量设备无关量子密钥分发研究

Quantum key distribution can achieve unconditional security in theory, but it is easy to suffer from all kinds of attacks against imperfect devices. Measurement-device-independent quantum key distribution can resist against all detector side-channel attacks, so it is more suitable for practical applications. However, measurement-device-independent quantum key distribution are susceptible to channel noise. In order to erase the influence from collective noise, the project intends to study measurement-device-independent quantum key distribution protocols against collective noise with decoherence-free subspace and improve their transmission distance and key generation rate by using the methods of optical source selection and optimized coding. The main research contents of this project include: the measurement-device- independent quantum key distribution protocols against collective noise; the measurement-device-independent quantum key distribution protocols against collective noise with heralded single-photon sources and pulse position modulation; the measurement-device-independent quantum key distribution protocols against collective noise with heralded single-photon sources and orbital angular momentum; the measurement-device-independent quantum key distribution protocols against collective noise with heralded pair coherent state sources and pulse position modulation; and the measurement-device-independent quantum key distribution protocols against collective noise with heralded pair coherent state sources and orbital angular momentum.

量子密钥分发虽然在理论上能实现无条件安全，但其在实际实现中却易遭受各种针对设备非完美性的攻击。测量设备无关的量子密钥分发可以抵抗系统中所有探测器边信道攻击，更符合实际应用需求。然而，测量设备无关量子密钥分发必然会受到噪声的不利影响。为消除集体噪声的不利影响，本项目拟研究利用无消相干子空间来设计抗集体噪声的测量设备无关量子密钥分发协议，并通过光源选择和优化编码来提高协议的传输距离与密钥生成率。本项目的主要研究内容包括: 抗集体噪声的测量设备无关量子密钥分发协议；基于指示单光子源和脉冲位置调制的抗集体噪声的测量设备无关量子密钥分发协议；基于指示单光子源和轨道角动量的抗集体噪声的测量设备无关量子密钥分发协议；基于标记配对相干态光源和脉冲位置调制的抗集体噪声的测量设备无关量子密钥分发协议；基于标记配对相干态光源和轨道角动量的抗集体噪声的测量设备无关量子密钥分发协议。

通信安全性和实用性是测量设备无关量子密钥分发(MDI-QKD)协议关注的两个主要焦点。然而，由于光纤双折射的波动，传输光子易受信道噪声的干扰。因此，实际应用中MDI-QKD协议不可避免地遭受信道噪声的不利影响。并且攻击者也可以利用噪声隐藏他们的攻击，这必然影响了通信的安全性和质量。另一方面，为确保一次一密的无条件安全性，就要求MDI-QKD协议提供的密钥和所加密的信息是等长的，因此需要的密钥量是很大的。这就要求MDI-QKD协议应该具有较高的密钥生成率，同时有较低的误码率。并且，由于实际通信双方之间距离是任意的，因此必然要求MDI-QKD协议的最大传输距离尽可能的大。本项目通过研究，已解决的问题和取得成果有：(1) 针对已有MDI-QKD协议不能抵抗噪声的问题，通过在系统模型中添加辅助光源，CNOT运算和Hadamard变换产生新的逻辑量子态，并利用它们设计了两种抗集体噪声的MDI-QKD协议。(2) 通过优化编码和选择光源提高了MDI-QKD协议的通信距离和密钥生成率，并降低了误码率。分别基于奇相干光源、指示单光子源、标记配对光源和多晶体指示源， 以及轨道角动量编码、脉冲位置调制、量子存储器和波分复用等技术设计了10个不同的MDI-QKD协议，性能分析发现它们都有很好的通信距离和密钥生成率，以及较低的误码率。(3) 对MDI-QKD协议进行性能优化分析，研究了影响MDI-QKD协议性能的各种因素(包括光源、信道和探测器等因素)。给出了不同光源和编码下MDI-QKD协议的统计涨落分析，比较了光源发送的不同信号脉冲数对协议性能影响情况。并且，也分析了探测器死时间对MDI-QKD协议性能的影响。为进一步提高MDI-QKD协议的性能提供了帮助和参考。项目所取得研究成果可应用于需要数据保密传输或存储的电子政务、电子商务、电子医疗、金融行业和车联网信息安全等领域。