量子密钥分发系统的实际安全性研究

量子保密通信是目前量子信息研究领域中已经能够走向实用化的重要研究内容，因而受到了国内外学术界的广泛关注。量子保密通信的核心内容就是量子密钥分发。目前，量子密钥分发协议的原理安全性已经得到严格的理论证明。然而，实际的量子密钥分发系统必然存在各种缺陷。这些缺陷可能导致实际的量子密钥分发系统存在可能被窃听者利用的漏洞。例如，安全证明要求实际量子密钥分发统必须能够精确的制备某个量子态，然而实际系统制备的量子态可能存在各种偏差。课题组计划从理论和实验两个方面研究目前实际量子密钥分发系统可能存在的各种缺陷，包括元器件的非完美性，编码方案可能存在的缺陷等。通过对这些缺陷定量化的分析，进而提出窃听者可能的攻击方案。通过对攻击方案的分析，最终给出相应的解决方案，提高实际量子密钥分系统的安全性。通过这一课题，基本理清实际量子密钥分发系统的可能安全性漏洞，大大提高实际系统的安全级别。

QKD的主流协议是BB84协议，该协议已经得到了严格的安全性证明。然而，实际的BB84量子密钥分发系统受到实际物理器件的限制，它不可能完美的执行BB84协议。也就是说，虽然BB84理想协议的安全性本身可以被严格的证明，但是实际的BB84系统却不一定是安全的。那么解决实际QKD系统的安全问题，得到更加安全的QKD系统就成为是目前国内外学术界非常关注的问题。目前主要有两个途径来解决这一问题：.（1）.寻找实际系统中的漏洞：寻找量子密码实际系统中各种器件的非理想特性及其漏洞。研究基于这些漏洞的攻击方法，以及克服这些攻击的方法。.（2）.设计更安全的QKD协议：传统的QKD协议（BB84）的安全性较多的依赖于器件的细节特性。如果能设计安全性对器件物理特性依赖较少的QKD协议，那么就可以增强实际QKD系统的安全性。.课题组沿着上述两条研究路径展开了研究工作。1.课题组分析了强度调制器的有限消光比对QKD系统安全性的影响，并定量的给出了有限消光比对安全性的影响，以及此时的安全码率公式。2.课题组深入分析了光纤分束器的透射反射率之比会依赖于入射光波长这一物理特性。基于这一物理特性，我们设计了针对基于Heterodyne和Homodyne两种测量方式的连续变量量子密码系统的攻击方案；证明了在理论上这两种类型的连续变量QKD系统都可能被课题组设计的攻击攻破；同时也给出了反制该攻击的方法。3.课题组研究了BB84协议在不可信测量装置下的安全性。传统的BB84协议假设Bob方的测量是一组理想的投影测量，但是在实际情况下，Bob方的测量可能会受到窃听者的干扰，不再是理想的投影测量。基于纠缠提纯方法，课题组给出了测量装置完全不可信时BB84协议的安全密钥率公式。4.课题组提出了两种不同的方法，这些方法使得测量设备无关量子密码协议的安全性可以进一步增强，即不依赖于Qubit光源的编码误差。在我们设计的协议中，Qubit光源发生任何编码错误都不会导致系统不安全。在此基础上，课题组还设计了基于不可信Qubit编码和不可信投影测量的BB84协议。通过仿真，课题组证明了这些协议在有损信道中是切实可行的。.以上研究成果均发表在国际主流学术期刊上。在本课题的研究中，课题组共发表SCI论文21篇。