新型量子密码安全与实用研究

Decoy-state BB84 type protocols have brought remarkable achievements, such as Micius quantum satellite and quantum secure communication Jing-Hu trunk line. BB84 type protocols share two features in common, one is that the photon should be transmitted in the quantum channel between two communication parties, the other is that the signal disturbance (error rate) should be monitored. Recently, Nature and Physical Review Letters publish two kinds of new quantum key distribution (QKD) protocols, i.e., QKD without monitoring signal disturbance (round-robin differential phase shift QKD) and counterfactual QKD, which are completely different from the BB84 type protocols. These two new QKD protocols show more abundant physical meanings of quantum mechanics, which bring some significant advantages, for example, the RRDPS-QKD can tolerate up to 50% bit error rate. However, from the proof-of-principle experiments of the above two new QKD protocols published in Physical Review Letters and Nature Photonics, we can see that there are huge technical gaps between theory and reality, which is far from practical use like BB84 type protocols. Therefore, in-depth understanding the physical meanings of the two new protocols, developing practical and efficient QKD protocols, proposing other quantum information processing tasks based on the above theory, have become the focus and hotspot in the field of quantum cryptography. In this project, we aim to delve more deeply into the above topics and promote development on several key issues in this field.

诱骗态BB84类协议取得了非常显著的成绩，比如墨子号量子卫星和量子保密通信京沪干线。BB84类协议有两个特点，其一是需要在量子信道中传输光子，其二是需要监控信号干扰。最近，在《自然》和《物理评论快报》上刊登了与BB84类协议截然不同的两类新型量子密钥分发（QKD）协议，即环回差分相移（RRDPS）和反事实QKD。这两类新型QKD协议展示了量子力学更加丰富的物理内涵，带来了如RRDPS可以容忍接近50%错误率的巨大优势。然而，从这两类新型协议在《物理评论快报》和《自然光子学》上所展示的原理性实验可知,想要同BB84类协议一样走向实用化，目前的方案还存在诸多难以克服的困难。为此，理解这两类新型协议的物理内涵，发展实用、高效的QKD和基于该原理的其他量子信息处理问题已经成为了量子密码领域的研究重点和热点。本项目计划针对上述问题进行创新性研究，在几个关键问题上推动该方向的发展。

本项目围绕新型的实用量子密码协议展开，主要研究量子密钥分发，量子秘密共享，量子会议密钥协商及量子数字签名等，主要取得了以下研究进展：（1）我们给出了双场量子密钥分发的通用安全证明理论，并在此基础上提出了一种可行的原理论证实验方案；研究了有限密钥分析中的统计涨落，给出了紧的解析公式；提出了一种以纠缠相干态源为中介实现双场量子密钥分发的方案，通过降低信噪比将双场量子密钥分发的传输距离提升了400 km；将单光子干涉的思想应用到设备无关量子密钥分发协议，使得安全码率在传输距离大于150 km时能够打破量子信道密钥容量的限制；提出了新型零差探测的离散调制连续变量量子密钥分发协议，相比原始零差协议提升了近一倍容噪能力，相比外差协议进一步降低了探测器性能要求。 (2) 我们提出了基于差分相移和双场思想的量子秘密共享协议，其在打破线性的速率-距离关系同时还被证明可以抵御特洛伊木马攻击。此外，我们还研究了不需要监控信道的量子秘密共享协议，使得方案装置和实施程序更加简单，并证明其能容忍最高50%的系统比特错误率，更具有实用化的价值。（3）我们提出了基于特殊的GHZ类态的量子会议密钥协商协议，其允许三用户共享理论上安全的会议密钥，并突破了量子网络私有容量的基本线性限制，并将其拓展到更符合实际网络的有限密钥领域和非对称信道领域。此外，我们还提出了基于相干检测的量子会议密钥协商协议，其不需要相位随机化和不同强度调制，降低了安全性风险，简化了实验实现。（4）我们研究了使用数据后匹配方法的新型量子数字签名协议，并通过六态编码拓展到了多方量子数字签名协议，其对量子信道的需求较少，为实际的多方量子数字签名协议提供了具体的思路。我们的研究有助于量子密码学的实用化，为量子通信网络的发展奠定了基础。