中國科大提出并實現(xiàn)誤差容忍高安全量子密鑰分發(fā)
中國科大郭光燦院士領(lǐng)導(dǎo)的中國科學(xué)院量子信息重點實驗室在高安全量子密鑰分發(fā)的實用化研究方面取得重要進展。該實驗室的韓正甫教授及其合作者銀振強、王雙、陳巍等提出了兼具高穩(wěn)定性和高安全性的誤差容忍測量設(shè)備無關(guān)量子密鑰分發(fā)協(xié)議，并從安全性分析和實驗驗證兩方面證實了該協(xié)議對源端非理想特性具有極強的容忍能力，有力地推動了新一代量子密鑰分發(fā)技術(shù)的實用化進程。相關(guān)研究成果于8月3日在線發(fā)表在國際學(xué)術(shù)知名期刊《Optica》上[Optica9,886-893 (2022)]。 6pr} A
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信息安全是當今時代的重要主題，量子密鑰分發(fā)技術(shù)以量子物理原理為基礎(chǔ)，可實現(xiàn)理論上無條件安全的密鑰分發(fā)。然而，這種理論安全性需要兩個重要的假設(shè)，即用戶擁有符合理論模型描述的理想設(shè)備，以及竊聽者不能侵入系統(tǒng)的探測端和源端。測量設(shè)備無關(guān)量子密鑰分發(fā)可以免疫所有針對探測端的潛在攻擊行為，是新一代量子密鑰分發(fā)技術(shù)的典型協(xié)議。然而，其依然保留了對源端的諸多安全性假設(shè)，例如量子態(tài)調(diào)制中的誤差和噪聲就會違背這些安全性假設(shè)，不僅會顯著降低量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的性能，還會給潛在竊聽者帶去可趁之機。在復(fù)雜的實際環(huán)境中，用戶不得不耗費大量的資源以監(jiān)控和校準源端，不僅會降低協(xié)議執(zhí)行的效率，也可能帶來潛在的安全問題。 p?Yovckm
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為推進新一代量子密鑰分發(fā)技術(shù)的實際應(yīng)用，韓正甫團隊通過將源端常見的非理想特性納入安全性證明框架中，提出了兼具高穩(wěn)定性和高安全性的測量設(shè)備無關(guān)協(xié)議——誤差容忍測量設(shè)備無關(guān)協(xié)議。該協(xié)議在免除了對探測端所有安全假設(shè)的同時，還免除了源端的“單光子態(tài)不可區(qū)分假設(shè)”和“純態(tài)假設(shè)”。由于免除了這兩條假設(shè)，測量設(shè)備無關(guān)協(xié)議對量子態(tài)調(diào)制中的信號畸變和噪聲具有極強的容忍能力。經(jīng)過嚴格的安全性分析，該團隊證明了這些源端設(shè)備的非理想特性不會破壞測量設(shè)備無關(guān)協(xié)議的安全性，也不會降低系統(tǒng)的安全密鑰生成速率，因此誤差容忍協(xié)議兼具高安全和高穩(wěn)定兩大特性。 ]Iy C
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韓正甫團隊還進一步搭建測量設(shè)備無關(guān)系統(tǒng)，對提出的誤差容忍協(xié)議進行實驗驗證。團隊首先通過自主設(shè)計的Sagnac-AMZI編碼器和四強度誘騙態(tài)調(diào)制裝置實現(xiàn)了原始測量設(shè)備無關(guān)協(xié)議，并通過該系統(tǒng)觀察測量調(diào)制信號具有不同誤差時原始協(xié)議性能的變化。隨后，團隊使用同一系統(tǒng)執(zhí)行誤差容忍測量設(shè)備無關(guān)量子密鑰分發(fā)協(xié)議，在不對選基信號進行預(yù)先校準的情況下實現(xiàn)了幾乎恒定速率的安全密鑰分發(fā)。 (qB$I\
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通過前后性能對比，證明了誤差容忍測量設(shè)備無關(guān)協(xié)議的高穩(wěn)定特性，以及對于實際應(yīng)用的重要價值。由于實際量子密鑰系統(tǒng)往往需要工作在復(fù)雜快變的環(huán)境中，很難實現(xiàn)源端的精確實時校準，韓正甫團隊的這項成果極大地推進了測量設(shè)備無關(guān)量子密鑰分發(fā)技術(shù)的實用化進程，也為量子密鑰分發(fā)技術(shù)真正走向無條件安全奠定了理論和實驗基礎(chǔ)。 hnE@+(d=qJ
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圖1.誤差容忍測量設(shè)備無關(guān)量子密鑰分發(fā)實驗結(jié)構(gòu)圖 LX*T<|c`'
該工作的共同第一作者為中科院量子信息重點實驗室博士后盧奉宇、博士生王澤浩。銀振強教授、王雙教授是該工作的共同通訊作者。這項工作得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委、中國博士后科學(xué)基金會、中國科學(xué)院和安徽省的資助。 wXNFL9F8
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文章鏈接：https://doi.org/10.1364/OPTICA.454228
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