量子密钥分配系统动态特性引起的实际安全性分析与建模

Quantum key distribution (QKD) allows two parties(typically called Alice and Bob) to generate a secret key, in the presence of an eavesdropper. This key can be used for tasks such as secure communication and authentication. Unfortunately, there is a big gap between the theory and practice of QKD. In principle, QKD offers unconditional security guaranteed by the laws of physics. However, real-life implementations of QKD rarely conform to the assumptions in idealized models used in security proofs. In this proposal, we will do research on the detail practical security induced by the dynamic characteristics of the QKD system. Firstly, the change of the parameters of the devices and the optical fiber in the QKD system will be considered when the QKD system is operated continuously for a long time and the proposed model will be demonstrated experimentally according to the producing mechanism of the change. Secondly, the deviate of the quantum state from the principle protocol induced by dynamic characteristics of the QKD system will be analyzed and the proposed attacks and countmeasures will be demonstrated experimentally. Finally, the final solution of the practical security of the QKD system will be explored based on the above results and the measurement device-independent QKD system. The research results are significant and valuable to the practical application of the QKD system.

随着量子密码术应用研究的不断深入，研究者发现，实现量子密钥分配（QKD）的实际系统很难满足安全性证明中的理想模型，因此QKD系统的实际安全性成为了该领域目前的研究热点，也是影响量子密码术获得实际应用的重要问题。本项目拟从QKD系统各环节的动态特性及相应稳定性处理技术为着眼点，分析系统所采用的各器件以及光纤传输部分长期工作时特征参数的动态变化特性，找出其产生的物理机理，构建相应的数学物理模型并通过实验进行验证和完善。根据这些模型所描述的参数变化论证动态特性对量子态制备和检测产生的影响，对照具体协议，讨论基于动态特性的可能的攻击、防御和边信道方案，结合信息学，给出各种方案互信息的定量关系，并通过实验验证之。最终在此基础上结合已有的测量器件无关QKD系统探索最终解决该问题的方案。本项目的研究结果将对最终解决QKD的实际安全性提供重要的研究素材，对量子密码术的应用研究有重要的理论意义和实用价值。

量子密钥分配是一种采用单光子加载密钥信息，异地合法双方可以在公开信道上协商生成密钥。量子密钥分配在理论上解决了密钥分配的绝对安全性问题，一旦获得应用，将对国民经济以及国家安全等方面起到非常重要的影响。本项目在以下方面开展了研究，并取得了一些成果：①基于弱相干光源测量设备无关量子密钥分发系统的误码率分析。针对弱相干光源的具体特性，采用量子力学的描述，将各个器件进行量子化处理，并同时考虑探测器的具体性能参数的影响，分别给出了通信双方各自发送的脉冲含有特定光子数时产生的成功贝尔态和错误贝尔态的概率公式，从理论上对相位编码和偏振编码测量设备无关量子密钥分发系统的误码率进行了定量分析，分别推导并模拟了通信双方采用的平均光子数对称和不对称时误码率随传输距离的变化情况。同时，引入了单光子探测器品质因子的实验参数(暗计数与探测效率的比值)，通过量子化描述，理论推导并模拟了误码率与单光子探测器品质因子、分束器反射率以及通信双方弱相干光源平均光子数之间的关系。②量子密钥分发过程中的致盲攻击对策分析。基于雪崩光电二极管的单光子探测器易于受到强光和短触发脉冲的致盲攻击。提出了一种新的有效的抗攻击方案，我们对密钥分配光路系统进行了改进，并对量子密钥分配系统进行了单元编码。在方案中，利用一个非等比耦合器对存在致盲攻击和没有致盲攻击条件下进行了研究，实验研究结果表明，该方案是可行的防御致盲攻击方法。③基于内禀稳定偏振调制编码的量子密钥分配系统实验研究。提出了一种单向偏振编码量子密钥分配系统，并对其进行了原理性分析、证明。这种偏振编码方式能够自动补偿由于光线双折射引起的相位漂移。这种自动补偿方式是基于一种内禀稳定的偏振调制编码实现的，编码系统可用于四态协议、六态协议、测量与器件无关协议。