冗余编码类量子密钥分发研究

Quantum key distribution (QKD) protocols with redundant coding, e.g., round-robin-differential phase shift protocol which uses multi-bit to generate one secret key bit, feature the unique security characteristics and high tolerance for error rate, and thus become a very hot topic recently. However, there are still theoretical and experimental problems need to be overcome. (1) On the theoretical side, the present security proof is not complete and cannot analyze the potential attack launched by the eavesdropper. To solve this problem, through analyzing the collective attack to the redundant coding protocols, we will give the optimal attack launched by the eavesdropper and the corresponding information leakage. Furthermore, combined with the model of practical devices, the potential security loopholes and countermeasures will be investigated. By above works, we establish the framework of security of these protocols. (2) The performance and completeness of existing experimental setups are also not satisfactory. Based on the theoretical results, by optimizing the experimental parameters and utilizing decoy states or heralded single photon sources in different scenarios, such protocols will be implemented with higher secret key rate and longer achievable distance. With the advances in end-to-end implementations, a key distribution network will be built by fully utilizing the simplicity of quantum states preparations in these protocols. The results of the proposed research project is significant for the deeper understanding of the redundant coding protocols, the enrichment of QKD theory, and the improvement of QKD’s tolerance for channel noises. Hence, our project is meaningful for both science and application of quantum cryptography.

以环回差分相位为代表的冗余编码类量子密钥分发协议，利用多个随机比特编码生成一个密钥比特，具有独特的安全性机理和极高的误码容忍能力，是当前的研究热点。然而，该类协议仍存在着亟待解决的理论和实验问题。(1)现有理论存在无法刻画窃听者行为的问题，本项目以研究窃听者对该类协议的联合攻击为出发点，给出窃听者的最优攻击及可获取信息量；进一步结合实际器件模型，分析实验条件下影响该类协议安全性的潜在漏洞并给出解决方案，从而建立该类协议完整的安全性框架。(2)针对实验系统性能过低、欠缺全面验证的问题，本项目面向不同应用场景优化实验参数，灵活选用诱骗态和标记单光子源，将对该类协议进行充分的实验验证并显著提升其密钥生成率和分发距离；在此基础上，将实现基于该类协议的网络。本项目的成果对于深入理解该类协议的本质，完善和丰富量子密码学理论，提升量子密钥分发系统抗信道噪声能力都有着重要的意义，兼具学术和应用价值。

以环回差分相位和Chau15协议为代表的冗余编码类协议，具有一些独特的安全性或性能优势，成为近年来的研究热点。本项目聚焦于该类协议中的一些安全性和实用性问题，展开深入的理论和实验研究，发表SCI学术论文18篇，取得了一系列具有一定学术影响力的工作。下面简介部分重要学术成果。1、课题组提出了基于后选择技术的环回差分相移协议协议的有限长分析理论模型，首次实现用后选择技术预测在有限长情况下该协议的码率可以和渐近情况下的码率媲美，并通过数值模拟给出了实际运行该协议的重要参数，相关论文发表在国际光学权威期刊Optics Express。此后课题组进一步改进了这个安全性证明，将熵不等式理论方法引入到该协议的有限长分析中，显著减轻了有限长效应对协议性能的影响，这一工作发表在国际学术权威期刊npj Quantum Information。这些有限长分析对于指导该类协议在实际信道中的应用具有指导作用。2、课题组给出了Chau15协议在标准单向后处理条件下的安全性证明以及密钥率计算方法，并在此基础上完成了原理验证实验，检验了该协议对高误码率的容忍能力。这一工作发表在国际学术权威期刊Quantum Science and Technology。3、提出并实现了高品质的高维量子密钥分发原理验证实验。在这个实验中，轨道角动量和偏振两个自由度被联合起来应用于高维量子密钥分发协议的编码和解码过程中，使得该系统具有极低的误码率和极高的稳定性。这一成果发表在国际权威学术期刊Physical Review Applied。课题组注重人才培养和学术交流，累计培养研究生4人，资助多位课题组成员在国内外参加学术交流活动。