设备无关量子密钥分配的理论和实验研究

Device-independent quantum key distribution (DIQKD) can provide strongest form of security achievements by quantum means, since its security proof only relies on quantum mechanics and the fact that there is no information leakage from the honest parties. To apply the DIQKD in real-life scenarios, there are several critical problem must be resolved. First of all, the security proof under coherent attack. Second, the efficiency of DIQKD protocols based on entanglement are too low to be usable. The last one, the critical requirement to single photon detection efficiency and the loss of quantum channel lead to a detection loophole. We plan to focus on two DI QKD protocols, which are semi-DIQKD and MDIQKD, and research the three aspects of them. Firstly, we plan to research the security proof method of Semi-DIQKD and MDIQKD, including the security key rate calculating criteria. Secondly, we will design a new type of Semi-DIQKD protocol based on dimension-witness inequality, and provide its secure key rate. At last, we plan to design an experiment scheme of MDIQKD protocol which can fulfill key distribution in a long distance fiber quantum channel.

设备无关量子密钥分配（DIQKD）可以使实际量子密码设备的安全性不依赖于物理实现的可靠性，是量子密码领域近年来最具影响力的突破性概念之一。半设备无关（Semi-DIQKD）和测量端设备无关（MDIQKD）协议是两类具有代表性的设备无关QKD协议，有望解决基于纠缠的原始DIQKD协议效率较低、对探测效率和信道衰减要求苛刻的问题，具有较大的潜在实用价值。本项目拟对这两类协议的应用基础问题进行研究。1）在Semi-DIQKD研究方面，首先研究基于量子关联进行协议安全性证明和密钥生成率估计的方法，在此基础上着力研究基于维度限定构造新型协议的方法；2）在MDIQKD方面，首先研究基于纠缠提纯的MDIQKD协议安全性证明和密钥生成率公式，进一步研究可实现远距离密钥分发的MDIQKD实现方案并加以验证。通过以上研究，有望解决DIQKD实用化进程中的一些关键问题，其成果将最终促进量子密码行业的发展。

设备无关类量子密钥分发是近年来针对量子密钥分配（QKD）系统实际安全性问题，在协议层面提出来的一种解决思路。本项目针对设备无关类协议之中的半设备无关（Semi-DI）和测量设备无关（MDI）两类协议进行了研究，其中侧重测量设备无关量子密钥分发的协议研究和实验验证。主要成果包括：（1）提出了参考系无关MDI QKD协议，并完成了20公里光纤信道下的实验验证，实验文章作为编辑推荐文章发表在了Phys. Rev. Lett. 115, 160502 (2015)；（2）在原始MDI QKD协议的基础上，提出了修改光源和判据条件的三种改进协议并分析了其成码性能；（3）用小熵作为度量工具，从输出随机性的角度对Semi-DI和原始DI协议的关联，证明了当任何一端的测量结果完全随机的条件下，DI和Semi-DI两种协议是完全等价的。以上结果为设备无关类量子密钥分发的理论和实验提供了新思路和新方法。.项目执行期间，共发表SCI收录论文14篇，其中直接属于课题研究内容的论文12篇，课题相关衍生方向的论文2篇。论文包括Nature Photonics1篇，Physical Review Letters 1篇，Physical Review A、Optics Letters、Scientific Reports、Quantum Information & Computation等二区期刊上发表论文10篇。