基于多自由度耦合的测量设备无关的高维量子密钥分配技术研究

As a new protocol, measurement-device-independent quantum key distribution (MDI-QKD) is inherently immune to all side-channel attacks targeting the measurement device in a QKD system. This protocol is considered to be the promising development direction of future quantum communication. However, compared with the traditional “preparation-measurement” BB84 protocol, MDI-QKD shows low key generation rates, and the increase of its key generation rates is still a challenging task. Based on this urgent requirement, the project studies measurement-device-independent high-dimensional quantum key distribution. Firstly, a measurement-device-independent high-dimensional quantum key distribution scheme is proposed based on multi-degree-of-freedom coupling. Secondly, the coupling between polarization and orbital angular momentum is taken as an example to explore the high-dimensional encoding/decoding techniques of the scheme. Then, the security of the system is studied. Finally, the experimental device is built to verify the rationality and feasibility of the scheme, and the impact of noise on the system is also quantitatively analyzed. The project aims to solve the problem of low key generation rates in the existing MDI-QKD systems, and provides a feasible technical approach for building safe, efficient and long-range quantum secure communication.

测量设备无关的量子密钥分配（MDI-QKD）作为一种新型的密钥分配协议，能够天然免疫所有针对系统探测端的侧信道攻击，是未来量子保密通信的重要发展方向。然而，相比传统的“制备-测量”BB84协议，基于MDI-QKD协议的密钥分配存在成钥率低的问题。当前，如何有效提高基于该协议的密钥生成率依然是一个极具挑战性的课题。针对这一迫切需求，本项目以测量设备无关的高维量子密钥分配技术为研究对象，首先提出基于多自由度耦合构建测量设备无关的高维量子密钥分配方案；其次以偏振与轨道角动量自由度耦合为例，探索该方案关键的高维编译码技术；随后研究系统的安全性问题；最后通过搭建实验装置，验证该方案的合理性和可行性，并定量分析环境噪声对系统密钥分配效率的影响。本项目旨在解决现有MDI-QKD系统存在密钥生成率低的问题，为建设安全、高效且长程的量子保密通信提供一种可行的技术途径。

量子密钥分发（QKD）已经成为量子技术中最实用的研究方向，在光纤、自由空间信道中得到了广泛的应用。以实际QKD 系统安全为导向，实验研究 MDI-QKD 方案下的安全且高效密钥分配具有重要意义。本项目围绕利用高维量子态实现安全的MDI-QKD的实验方案进行研究，主要工作包括：（1）随着量子通信网络的发展，利用密集波分复用(DWDM)技术将量子密钥分发(QKD)与经典的光纤通信结合在一起变得可行和经济。考虑到量子信道数和相邻量子串扰对密钥传输速率的影响，本文提出了一种基于密集波分复用(DWDM)技术的 TF-QKD 协议的详细方案，并对其性能进行了分析。仿真结果表明，该方案进一步提高了 TF-QKD 及其变体的密钥率。因此，该方案为提高实际量子网络的密钥速率提供了一种方法。（2）高维MDI-QKD在实验过程中存在参考系失协引起密钥错误的问题，原有的参考系无关的量子密钥分配技术往往没有考虑源缺陷的影响，本项目基于时间相位编码的MDI-QKD 方案，将源缺陷协议推广到RFI-MDI-QKD 协议中，研究源缺陷与参考系漂移对MDI-QKD协议密钥率的共同影响，进一步提高MDI-QKD 对实用化中不完美器件的适应性。此外相比于RFI 协议中制备六态的需求，结合源缺陷容忍协议后只要求制备四个态，极大简化了实验难度。（3）实际环境与理论的差异严重限制了量子密钥分发（QKD）的发展。已经提出了与参考系无关（RFI）协议，以避免参考系与量子位系统的假设对齐。然而，由于设备漏洞导致的木马攻击和高维信息泄漏不可避免地导致非量子比特发射信号不完美。我们提出了基于一种通用的容错方法，分析了具有非量子位源缺陷的RFI-QKD协议的安全性。仿真结果表明，在不影响QKD系统安全性的情况下，使用非量子比特缺陷源是可行的。此外，它只需要制备四个量子态，这降低了实验的复杂性。该方案不对原始测量设备无关量子密钥分配系统进行更改，提高了系统的实际安全性，避免了额外的资源消耗。