基本信息
- 项目名称：
- 基于不稳定光源的诱骗态量子密钥分发
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 数理
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 目前量子密码已经成为全球新一代安全体系的竞争焦点，也是我国的战略发展需求。本文着重改进了诱骗态量子密钥协议，且提出了一个新的成码率公式，使得量子密码效率和安全大幅度提升，从而使得量子密码的成本下降且安全距离增加。并且本文所提出的协议并不要求更新或改动原有实验设备。
- 详细介绍：
- 目前，量子密码已经成为了全球密码安全体系的研究热点，它所具有的无条件安全性也将成为新一代的密码安全体系。 目前，量子密钥分配的实现均基于诱骗态协议。然而原先诱骗态协议在光源涨落时，将导致效率和安全性的下降，并且下降比例不容乐观。而对于弱相干态光源的精确控制却无法很好实现，却需要很高的成本和人力物力投入。 而本文着重于理论方面，通过改进原先的诱骗态量子密钥分配协议。考虑了诱骗态和信号态的光强涨落关联，从而提出了一个新的量子密钥成码率公式。基于该协议，在光强大幅度涨落时，通讯双方仍然能够产生无条件安全的量子密钥。例如，光强涨落10%时，原先协议已经无法工作，然而经过本文改进后的协议其工作效率为无光强涨落时的70%，并且不需要追加任何设备和成本。 基于对于光强涨落的高度抑制能力，本协议将使得量子密码的实用性大幅度提升，从而希望实现超远距离的量子保密通讯（目前已经实现了250公里远距离的通讯）。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 目前量子密钥分发为新一代密码安全体系，已经成为我国战略发展需求，其关系到国防、民生等各方面重大安全问题。 而我基于诱骗态协议，前一步完善和弥补了光强涨落所带来的安全性隐患，使得量子密钥分发的安全性和实用性进一步提升，使得效率大幅度提升。
科学性、先进性及独特之处
- 我们所改进完成的协议，在不改变任何设备情况下，可以使得量子密钥分发的效率提升400%以上，并且可以有效抵抗光强涨落的安全性隐患，换一种意义而言将使得量子密码的成本降低到原来的20%左右，距离至少提升一倍以上。 在现有的商用量子密码机和量子密钥分配实验中，均采用以前的诱骗态方法协议。经过论证和分析，我们的协议使得量子密码更加具有实用性、成本更低，更有望实现1000公里的超远距离保密通讯。
应用价值和现实意义
- 该作品为密码安全问题，直接关系到我国的国防安全等。目前量子密码已经成为国际上新一代安全体系的争夺焦点。 而现在，量子密码和网络安全相关的973项目已经通过3项，863项目2项。并且国家已经提出了相关方面的战略需求。 使用者可以不更新任何设备就使得效率和安全大幅度提升。预计本作品所提出的协议可以在近一年内推广到所有的商用密码机或密钥分配使用。
学术论文摘要
- 我们提出了一个新的量子密钥成码率公式。而该公式可以使得光源存在涨落时，对于单光子计数率可以提出一个更紧致的下界。基于这个公式，我们又研究了两强度和三强度的协议。这个成码率公式对于被动选择的量子密钥分发协议（PRL 99, 180503），可以使之在光源大涨落下仍然安全工作。进一步而言，可以使得被动选择协议不需要进行严格的光强控制和操作。同样的，对于三强度的量子密钥分发协议，我们证明了我们提出的新协议可以有效地大幅度提升密钥分发的效率。
获奖情况
- 2010年7月26日发表在《Physical Review》杂志上
鉴定结果
- 暂无
参考文献
- [1] Wang X.-B. Beating the photon-number-splitting attack in pratical quantum cryptography. Phys. Rev. Lett. 94, 230503 (2005) [2] Inamori H., Lutkenhaus N. and Mayers D. Unconditional security of pratical quantum key distribution. Europ. Phys. J. D 41, 599 (2007) [3] Gottesman D, Lo H.-K, Lutkenhaus N. and Preskill J. Security of quantum key distribution with imperfect devices. Quantum Inf. Comput. 4, 325 (2004) [4] Peng C.-Z., Zhang J. Yang D. Gao W.-B., Ma H.-X., Yin H., Zeng H.-P., Yang T., Wang X.-B and Pan J.-W. Experimental long-distance decoy-state quantum key distribution based on polarization encoding. Phys. Rev. Lett. 98, 010505 (2007) [5] Wang X.-B., Peng C.-Z., Zhang J., Yang L. and Pan J.-W. General theory of decoy-state quantum key cryptography with source errors. Phys. Rev. A 77, 042311 (2008)
同类课题研究水平概述
- 目前，诱骗态协议为量子密钥分发的通用协议。然而原先的协议没有解决实际光强涨落所带来的安全性隐患，当光强涨落达到10%时，即无法产生安全的量子密钥了。然而大量的实验表明，精确控制弱相干光源的成本和精力是十分巨大的，同时也是一项十分具有挑战性的技术难题。 现清华大学、中国科技大学、北京大学、国防科技大学等多个实验小组都致力于研究量子密钥分配的设备和器材。在光源开发和控制上也投入了巨大的人力和物力。 然而，本文则通过理论改进来弥补该漏洞，考虑了诱骗态和信号态两者的关联，提出了新的成码率公式，可以使得效率提升400%以上。从而对实验设备的要求和门槛大量降低。 在此之前，量子密码机已经投入了商业应用，但是其自身的安全性漏洞却没有被弥补。而我们的协议却不要求改变任何实验设备和条件，成本的追加为零。可为国家节约数以百万的设备更新经费。 并且，国际上正在研究被动选择诱骗态量子密钥分配协议，可参见 PRL 99, 180503一文。被动选择的实验方式可以避免伪随机数的漏洞，但是在这种实验机制提出后，却因为低下的实验效率而无法实现。但是采用我们的成码率公式之后，却能产生安全的密钥。也为量子密码的发展指出了一条新的道路。
