高维量子密钥分发的协议设计和验证

Quantum key distribution is the most practical branch in quantum information. The practical security and secure key generation rate of the QKD system are the most important performances which need to be thoroughly studied. The high dimensional QKD (HDQKD) protocols have the advantages of improving this performances and has become a research highlight. Based on the method of round-robin differential phase shift (DPS) protocol, we will use high-dimensional encoding to perform the following research: (1) Design or modify the RRDPS QKD protocol based on time-bin and orbit angular momentum (OAM) of photons to improve their key generation performance and threshold of the quantum bit error rate; (2) design and experiment on fiber and free-space QKD system to demonstrate the protocols we designed, and to master the skill of modulate high-dimensional physical quantities; (3) evaluate the practical security performance of the system through theoretical analysis and experimental measurement, and design the security framework of HDQKD. The results of the experiment can be a good reference for effectively using high dimensional resource to improve the performance of QKD systems.

量子密钥分发(QKD)是量子信息领域实用化程度最高的技术分支，其研究的核心目标是提高实际安全性和密钥生成带宽。基于高维编码的QKD在这些方面具有潜在的优势，是当前国际上的研究热点之一。本课题从环回差分相位(RRDPS)这一新型QKD协议的设计思想出发，以高维编码为核心资源开展以下研究：(1)以提升其噪声容限为基本出发点，利用光子的time-bin和轨道角动量(OAM)高维编码对RRDPS协议进行改进设计，提高其单脉冲成码效率和噪声容限；(2)在光纤和自由空间QKD实验平台上对设计的QKD协议进行实验验证，掌握高维物理量的操控技术；(3)通过建模和实测对高维QKD系统的实际安全性进行分析，形成高维QKD实际安全性分析的基本框架。课题的研究成果将为有效利用高维编码提升QKD系统的性能提供解决思路和技术参考。

课题面向高维量子密钥分发开展研究，较好的完成了任务计划书预定的研究内容和研究目标，取得的主要成果包括：（1）首次将高维编码态中的相位随机化和窃听者辅助态的退相干过程结合，提出了环回差分相位（RRDPS）的改进协议，大幅度降低了达到同样误码容限所需的编码维度数目，研制了简化结构的解码器并完成了验证实验，将此类协议的安全密钥分发距离延长到了140公里；（2）在基于光子轨道角动量（OAM）的高维量子密钥分发（QKD）的研究方面，发展了偏振和OAM态保持的可调分光器、高稳定干涉仪等光子OAM编解码的关键技术和器件，并在此基础上设计了光子偏振和OAM联合编码的高维QKD方案，具有可高速操控和高稳定性的特点，基于此方案的4维QKD实验获得了此前最高的单脉冲密钥承载率和最低的误码率；（3）在实际安全性分析研究方面，针对单光子探测器实际特性，改进了分析模型和数据处理方法，原创提出了雪崩探测器攻击和利用时域鬼成像对量子器件进行特性分析的方法。课题设计的研究方案和取得的技术进展为下一阶段的研究打下了良好的基础。