量子密钥分配系统安全性新型评估及分析方法

Gaps between practical devices and theoretical models make security of practical quantum key distribution (QKD) lower than the theoretical security. Therefore, studying new kinds of evaluation and analysis methods is very important to improve the practical security of QKD. Nowadays, researches on devices in the source and device dependent quantum random number generator (QRNG) are not completed, leading the security of QKD still under the threat of being attacked. This project mainly studies:(1) new kinds of evaluation and analysis methods of practical security of source devices of QKD, including theoretical and experimental research on the impacts of working temperature on the output of semiconductor laser; new analysis method on the security under output characteristic change. (2) new kinds of evaluation and analysis methods of practical security of device dependent QRNG, including theoretical study the impacts of output characteristic change on the randomness of output sequence of QRNG; Study the improved randomness extraction method and experimental verification. It is expected to make some breakthroughs in the security of QKD, which will provide theoretical and technical support for security of practical QKD.

量子密钥分配（QKD）系统中使用的器件与理论模型之间存在差异，使得QKD系统的实际安全性低于其理论安全性。因此，研究QKD系统安全性新型评估与分析方法，对于提升实际QKD系统的安全性具有极其重要的意义。当前，光源端及设备相关量子随机数发生器（QRNG）相关研究并不完善，安全性仍受到较为严重威胁。本课题重点研究：（1）QKD系统光源端实际器件安全性的新型评估及分析方法研究，主要包括，理论研究半导体激光器输出特征随温度等外部因素变化情况；实验研究温度等因素对半导体激光器输出特征的影响；研究半导体输出特征变化条件下，实际QKD系统安全性分析方法。（2）针对设备相关QRNG稳定性的新型评估及分析方法研究，主要包括，理论研究光源输出特征变化对QRNG输出随机性的影响；研究QRNG随机性改进的提取方法并进行实验验证。期望在QKD系统实际安全性方面有所突破，为保证实际QKD系统安全性提供理论与技术支撑。

对量子密钥分配系统进行评估与分析对于保障系统安全性具有重要意义。本项目主要以量子密钥分配系统光源端及设备相关量子随机数发生器为研究对象，较为系统地研究了温度、驱动电流等工作条件变化对实际器件稳定性的影响，从理论和实验角度，分析并验证了工作条件变化对实际量子密钥分配系统及量子随机数发生器实际安全性的影响，结果表明，温度提升对于半导体激光器的输出影响很大，导致量子密钥分配系统输出信号稳定性及不可区分性变差、量子随机数发生器生成序列随机性变差。更进一步，从协议、设备、后处理等方面给出了提升量子密钥分配系统及量子随机数发生器稳定性与鲁棒性的方法。协议方面，在源信息泄露情况下研究了单诱骗态量子密钥分发协议的鲁棒性，设计了更加实用的基于标记配对相干态光源诱骗态量子随机数发生协议。设备方面，基于超辐射发光效应，设计并研制了一款量子随机数发生器，实时速率最高可达3Gbps，从工作温度、采样速率、后处理技术等方面进行改进，实现了更加安全的量子随机数生成。后处理方面，比较了三类常见的量子随机数生成后处理方案的鲁棒性，结果表明，基于Toeplitz哈希提取器和基于多层感知器的后处理方法更具优势。此外，针对当前超导量子计算机存在噪声问题，设计了一种源无关量子随机数生成协议。本项目的研究成果对于提升实际量子密钥分配系统安全性提供了技术支撑。.本项目已发表（录用）学术论文13篇，其中SCI检索10篇。已授权发明专利2项、实用新型专利3项，申请发明专利8项。