与设备无关量子密码的理论研究

Device-independent quantum key distribution (DI-QKD) is one of the most attractive topics in quantum key distribution field. It can generate secure key between the legitimate users without considering the actual attributions of the quantum devices. Thus it is considered to be an efficient way in combatting against loopholes of practical quantum devices. In this project, we will give theoretical studies on the practical applications of DI-QKD, and the latent security problems caused in this process. (1) By optimizing the nonlocal criterions and the nonlocl resources, it is possible to lower down the requirements on the detection efficiency in the implementation of DI-QKD. Then the DI-QKD may be implemented with presently available thechniques. (2) We will try to avoid the artificial detection loophole and locality loophole within the process that the eavesdropper launches her attack on the DI-QKD, which may undermine the basis of the DI-QKD protocol. (3) We will verify the security of DI-QKD under practical attacks, and compare the difference between illegal information of the eavesdropper and that of the legitimate users. With the step, we may obtain the possibility of optimizing the key generation rate of DI-QKD. (4) We will find the means of simplifying the measurement-device independent quantum key distribution (MDI-QKD) encoded with photon polarizations, and verify its performance when it is implemented with real devices. We believe that our investigations will contribute to improving the DI-QKD protocol with real devices.

与设备无关的量子密码是量子密码领域近几年研究的热点问题之一，它的安全性与量子装置的具体特征无关，因而可以有效地克服由装置缺陷引起的安全漏洞。在本次申请的项目中，我们将研究该方案的实际应用，以及在此过程当中可能存在的安全性问题：（1）通过优化非局域判据，非局域资源等方法，降低与设备无关量子密码对探测器探测效率的要求，使得该方案能够在现有探测技术手段下实现；（2）防止窃听者在对与设备无关量子密码的窃听过程中，人为制造Bell实验中存在的探测漏洞、局域漏洞等，从而破坏该协议的安全性基础；（3）验证该协议在针对装置缺陷攻击方案下的安全性，比较窃听者非法信息与合法用户信息的变化趋势，得出码产生率在实际攻击下的优化空间；（4）研究极化编码与测量设备无关量子密码的简化实施手段，验证其在实际实施过程当中的表现。通过对这些问题的研究，增强与设备无关量子密码的实用性。

与设备无关量子密码是量子密码发展的未来方向，可以使通讯双方在不了解和控制信号制备、传输和探测装置的条件下获取安全的密码。在本项目当中，我们根据与设备无关量子密码中存在的问题主要研究了以下几个方面的内容：（1）研究基于Bell定理的量子纠缠与量子力学非局域性，包括量子力学非局域性的大学与量子纠缠之间的关系，量子力学非局域中的少纠缠多非局域性现象；（2）研究基于Bell定理的与测量无关的量子密码的安全性以及实现方案，譬如我们研究了基于制备—测量量子密码的安全性及其实现，指出与设备无关B92量子密码中间的安全性漏洞，窃听者通过随机数产生器的偏执对量子通信实施攻击；（3）我们研究了与测量设备无关量子密码的安全性，证明暗计数能够有效地延长与测量设备无关量子密码的有效通讯距离，同时我们研究了局域操作和两路经典通信对与测量设备无关量子密码安全性的影响。