实际量子密码系统安全性研究

Although quantum cryptography(QC) has been proved to be unconditionally secure, its real implementations have been found unpredictable loopholes. Therefore, the practical security emerges to be the the biggest block to the progress of applicable QC systems in real world. Following the main stream of quantum cryptography research, this project aims to solve the security problem of real-world QC systems concerning both the theoretical model improvement and quantum hacking. The primary content includes the investigations of device-independent(DI) quantum key distribution(QKD) and the attack to real implementations of QC systems. Specifically, on the first hand, in order to narrow the gap between the theoretical model and real implementations of QC, we shall improve the theoretical model of QC by further proving the security of DI QKD, and constructing high-efficiency DI-QC protocols under weakened security conditions. On the other hand, we shall make further investigations on the attacks to real-world QC systems and try to compromise the security of various existing DI-QKD protocols, this work will certainly contributes to the growth of the up-to-date QC systems, such as the commercial QKD systems. Two significant attractions may be found in this project: the proof of the composable security of DI-QKD protocols, and the applications of DI security to quantum secret sharing and quantum coin flipping.

量子密码虽然具有理论上的无条件安全性，但是其实现系统与理论模型之间存在不可忽略的差异，导致现有的实际量子密码系统存在不可预知的安全漏洞。因此，安全问题成为当前量子密码实用化进程中的最大障碍。本项目基于当前量子密码主流的研究趋势，以实际量子密码系统的安全问题为中心，分别从理论模型优化和攻击两个方面入手，研究实际量子密码系统的安全解决方案。主要工作包括器件无关量子密钥分配理论研究以及实际量子密码系统攻击方法研究。具体而言，通过研究器件无关量子密钥分配协议安全性证明、弱化安全条件下的高效器件无关量子密码协议设计，从而优化量子密码的理论模型，从理论上消除实际系统与理论模型的差异；通过研究主流商用量子密码系统以及各种器件无关量子密码系统模型的攻击方法，逐步消除其安全漏洞，提高现有量子密码系统的安全性。项目具有两个特色，即采用组合安全研究器件无关量子密码以及器件无关安全的量子密码共享与掷币协议设计。

众所周知，量子密码的最大优势在于其理论上的无条件安全性。但是，受到当前技术水平的限制，实际量子密码系统与其理论模型之间仍然存在不可忽略的偏差，导致其存在未知安全漏洞，影响了量子密码的进一步实用化。本项目从理论模型优化和实际量子密码系统攻击方法研究两个方面着手，对实际量子密码系统的安全问题展开研究。项目组引入博弈论的思想，设计了一个新的量子掷币模型，该模型不仅解决了实际量子掷币系统在噪声信道中的安全问题，而且兼容现有单靶位量子掷币协议，实用性较强。研究了实际反直观量子密钥分配系统的安全问题，发现了一个安全漏洞，即实际应用中密钥长度有限，基于该漏洞设计了一种攻击方法，且提出了应对措施。项目组还研究了量子通信的实际效率问题。借鉴之前设计的攻击方案，将攻击装置的核心部件应用于反直观量子直接通信，提出了一种概率型反直观量子通信方案，提高了反直观量子直接通信的通信效率和抗噪能力。此外，项目组还研究了量子网络编码、量子协议的形式化分析等方面的内容。