基于信道层析成像和博弈论的抗边信道攻击量子密钥分发系统研究

Quantum key distribution (QKD) protocol is unconditionally secure based on Heisenberg's uncertainty principle, nonclone theory of quantum state, and quantum entanglement, etc. While information may be revealed in practical QKD system because of unperfect devices or implementation. In this project, we focus on the information revealing come from Side Channel Attack (SCA). The research contents include: (1)Based on the research of the propagation characteristics of the optical quantum channel in which loss, polarization mode dispersion, and frequency dispersion are taken into account under different pulse envelopes and modulation types, the point-to-point QKD system will be optimized by channel tomography. (2)The private authenticated space of the sender and the receiver in quantum communication system are seperated from single photon source, propagation and detection of optical quantum states. Based on this idea the SCA free QKD scheme will be proposed. (3)SCA free topological structure and routing algorithms will be designed for large-scale and long-distance QKD network by the gaming between sender-receiver and Eves. Some key technologies will be addressed, e.g. tomography of optical quantum channel, design and security proof of SCA free QKD scheme, design of topology and routing algorithm of QKD network. All the results will be applied to practical quantum private communication system.

量子密钥分发（QKD）协议基于海森堡不确定性原理、量子态不可克隆定理和量子纠缠等特性保证了密钥分配的无条件安全，但实际的QKD系统由于设备和实现的不完美会造成信息泄露。本项目研究解决实际QKD系统由于边信道攻击造成的信息泄露问题。主要研究内容包括：（1）通过研究不同包络和调制类型的单光子脉冲在损耗、色散等信道中的传输特性，基于量子信道层析成像技术优化点到点QKD系统设计；（2）将单光子源、光量子的传输、测量与发送方和接收方的私有认证空间相分离，探索边信道攻击无关的QKD方案；（3）面向规模化长距离QKD网络，研究通信双方和窃听者之间的博弈来设计抗边信道攻击的网络拓扑和路由策略。拟突破量子信道层析成像技术、边信道攻击无关QKD机制及其安全性证明和抗边信道攻击的QKD网络拓扑结构和路由算法等相关理论与关键技术，为实用化量子保密通信奠定基础。

本项目研究对抗实际量子密钥分发（Quantum key distribution, QKD）系统中边信道攻击的方法，主要研究内容包括：抗边信道攻击的QKD协议、量子信道建模和抗边信道攻击的QKD网络。针对接收端边信道，首次利用光分束器、光纤延时线等线性光学元件设计了时间编码W态分析器，基于此分析器提出了测量端抗边信道攻击的四用户测量设备无关的量子密钥分发（Measurement-Device-Independent QKD, MDI-QKD）协议，安全传输距离大于150Km；提出了基于簇态的多方MDI-QKD协议；提出一种可以实现身份认证的测量设备无关量子群组QKD协议，这些结果为实现群组安全通信和建立安全的QKD网络提供直接支撑。针对QKD系统发端量子态制备不完美带来的边信道，提出了基于单个源的Plug-play型偏振编码MDI-QKD协议，提高贝尔态测量的成功率，且降低了同步系统的复杂度。针对量子信道，分析了光纤量子信道的非马尔科夫特性，及其对QKD系统性能的影响；提出了一种基于酉算子设计的信道层析成像方法。针对量子保密通信网络，提出了基于博弈的光量子安全路由算法。为提高QKD系统的性能，提出了一种基于预先公开部分编码基的量子密钥分发协议，提高了双方基一致的概率，进而提高了密钥产生率；提出了一种长距离量子密钥分发方案，通过接收端光量子检测线路对辅助单光子的测量，降低了探测器暗计数带来的噪声影响，在探测器效率为90%时弱相干光源诱骗态量子密钥分发的安全通信距离达到了479km。针对量子信息的基础问题，给出了量子连续测量的输出态与被测态迹距离的上界，以及特定结果输出概率的下限等。本项目发表论文25篇（其中SCI检索19篇），申请专利6项（2项已授权），培养研究生28名（2名博士）。

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