量子非定域关联和量子密钥分发方案的研究

Quantum information has inspired researchers to study fundamental problems in quantum mechanics from a new point of view. It has not only deepened the understanding of quantum theory, but also, due to its highly interdisciplinary feature, enlarged the entire research scope of quantum physics. The project is aimed at studies of quantum nonlocal correlations and the security of quantum key distribution. We shall study the influence of no-signaling general probabilistic theories upon quantum nonlocal correlations, along with improving the corresponding theoretical framework. We shall study the vital importance of quantum nonlocality implemented in security proofs of quantum key distribution. We shall study Bell inequalities and improve the secure key rates of device-independent quantum key distribution protocols. We shall study quantum algorithms to simulate open quantum systems and the relationship between the resources needed and the precision aimed to simulate. We shall study relativistic effects upon various types of quantum correlations, quantum backflows and related quantum physical phenomena. The studies with quantum nonlocal correlations and quantum key distribution will help further deepen the understanding of fundamentals of quantum mechanics, and provide theoretical foundations for quantum technologies to be more widely implemented.

量子信息学激发人们以全新的视角研究量子力学中的基本问题。它不仅深化了人们对量子理论的理解，同时，由于其本身所具有的高度交叉性，极大地拓展了量子物理的研究范围。本项目以量子非定域关联与量子密钥分发的安全性为核心，研究满足无信号条件的一般性理论对量子非定域关联的影响，逐步完善理论框架；研究量子非定域关联在证明量子密钥分发安全性中起到的关键作用；研究贝尔不等式，提高基于设备无关的量子密钥分发方案的生成码率；研究量子算法对开放量子系统的模拟及其所需资源随模拟精度的依赖关系；研究相对论效应对各类量子关联、量子回流及相关量子物理现象的影响等问题。研究量子非定域关联和量子密钥分发方案将有助于进一步深刻理解量子力学基本问题，并为更广泛地实施量子技术提供理论基础。

量子信息学不仅深化了人们对量子理论的理解，同时由于其高度的交叉性，极大地拓展了量子物理的研究范围。本项目主要研究量子非定域关联与量子密钥分发安全性相关问题，与量子信息、量子力学基本问题、量子计算等领域具有密切联系，所涉及的领域近年来都获得了迅猛发展和令人瞩目的成果。主要研究内容包括：量子密钥分发的安全性证明、开放量子系统的量子模拟算法、量子密钥分发方案中的猜测几率、设备无关量子密钥分发方案的探测效率等问题。对此类问题的研究有助于进一步理解量子力学基本问题，并为更广泛地实施量子技术提供理论基础。主要成果有：证明了更优的量子de Finetti定理，得到了更小的交换对称量子态与独立同分布量子态的迹距离，从而在相干攻击下获得了更高的密钥成码率；基于合理的物理假设，利用经典纠错和隐私放大方案，对BB84方案给出了一个新的安全性证明；提出了一种开放量子系统的量子模拟算法，通过直接模拟环境的关联函数来有效减小模拟环境所需要的qubit资源；研究了量子密钥分发方案中的猜测几率，提出了一种能够有效估算量子密钥分发中的窃听的新方法，同时为研究已有的安全性判据提供了新的视角。总计发表5篇文章，其中4篇SCI收录文章，1篇北大中文核心期刊收录文章。