基于发送端器件参数特性的测量设备无关量子密钥分配实际安全性研究

Measurement device-independent quantum key distribution (MDI-QKD) haves removed all the potential loopholes of the detectors, while a traditional QKD system may be under attack because of any imperfections. However, since the MDI-QKD had made an assumption that the preparation of the quantum signal sources by Alice and Bob is perfect and carefully characterized, the system will suffer from the quantum hacking strategy once components in Alice and Bob (both are sending ends) are imperfect. So it is important to do research on the sending devices of MDI-QKD system carefully and close potential loopholes to guarantee the security of the final key. Here we study on fully parametric characters and working principles of the sending devices in the MDI-QKD system experimentally, including the light sources, modulators, components used for clock synchronization, compensation and regulation. Then, we propose hacking strategy based on the loopholes of the practical components, and explore the relationship between the parameters of the practical setups and the security of the practical MDI-QKD system. Finally, we design new protocol and experimental scheme to close the loopholes of the practical system, and make a safe guide on selection of components for practical MDI-QKD, so as to guarantee the security of practical MDI-QKD system. We believe that our project will be a vital step for strengthening the security of practical MDI-QKD, and promotes the practical processes of MDI-QKD.

传统QKD 系统中任何器件不完美性都可能被攻击者用于窃取密钥信息，而测量设备无关量子密钥分配（MDI-QKD）可以消除所有探测器不完美性导致的安全隐患。但是，MDI-QKD并没有解决发送端设备无关问题，合法通信双方（均作为发送端）仍需依赖各自器件的安全性。本项目基于发送端实际器件的参数特性，研究MDI-QKD的实际安全性，通过全面测试MDI-QKD实验系统中光源、编码和时钟同步与补偿校准等器件的参数特性和工作状况，深入研究参数特性对器件工作机制的影响，查找器件潜在的安全性漏洞，建立实际器件关键性能指标和MDI-QKD系统安全性之间的关系，设计可能的攻击方案，探索相应的防御策略，同时给出MDI-QKD系统搭建所需器件的选型指南，从而关闭发送端器件非完美性在MDI-QKD实际实现中所引入的安全性漏洞。本课题的研究成果对于完善MDI-QKD安全性研究，推动其实用化具有重要的科学意义和实用价值。

传统QKD系统中任何器件不完美性都可能被攻击者用于窃取密钥信息，而测量设备无关量子密钥分配（MDI-QKD）可以消除所有探测器不完美性导致的安全隐患。但是，MDI-QKD并没有解决发送端设备无关问题，合法通信双方（均作为发送端）仍需依赖各自器件的安全性。本项目基于发送端实际器件的参数特性，开展MDI-QKD的实际安全性研究，主要完成了三个方面的研究内容：一是研究MDI-QKD实验系统中光源、编码和时钟同步与补偿校准等器件的参数特性测试技术和方法，全面开展相关参数特性测试；二是深入研究光源注入锁定对MDI-QKD光源的影响，开展光源注入锁定测试并设计可能的攻击方案；三是针对测试发现的光源光强涨落特性，给出了光强涨落条件下诱骗态MDI-QKD协议抵抗相干攻击的有限长密钥分析，从而关闭发送端光强涨落在MDI-QKD实际实现中所引入的安全性漏洞。本课题的研究成果对于完善MDI-QKD安全性研究，推动其实用化具有重要的科学意义和实用价值。同时本课题相关测试技术和方法可以直接用于商用传统QKD系统的实际安全性测试与评估，为QKD的实际应用提供安全测评保障。