论文题目：量子密钥分发系统中若干非对称问题的实验研究
摘要：在21世纪的今天,信息安全的重要性是毋庸置疑的,然而当前广泛使用的经典密码学,其安全性正面临着巨大的威胁。与安全性基于计算复杂度高的数论难题的经典密码学不同,量子密钥分发（Quantum key distribution,QKD）能够提供理论上无条件安全的密钥传输,其安全性由量子力学的基本原理保证,任何窃听行为都将因引入可观测的错误而暴露。自从QKD的第一个协议BB84协议在1984年IEEE计算机科学技术大会上被提出以来,此后三十余年,QKD备受关注,无论是在理论上还是实验上都得到了充足的发展机会。但现实与理论仍然存在巨大的鸿沟需要跨越。QKD实际系统由于各方面的不完美而不断制约其实用化进程。本论文围绕量子密钥分发实用化这一主题,介绍了作者在博士期间的研究成果,主要包括实验参数非对称问题下的QKD方案及双场量子密钥分发协议（TF-QKD）的实验研究。具体的,本文介绍了利用清华大学王向斌理论小组2016年提出的联合考虑不同基矢制备测量结果的四强度诱骗态方案,设计并实现的第一个基矢探测效率非对称情况下的高效BB84实验,该实验不仅实现了基矢探测效率非对称情况下成码率性能的大幅度提升,还剔除了基矢探测器效率对称的不合理假设,使得量子密钥分发协议更为实用化。此外,本文介绍了能够免除所有探测端攻击的方案——测量设备无关量子密钥分发（MDI-QKD）协议。并介绍我们根据加拿大多伦多大学Hoi-Kwong Lo小组提出的七强度诱骗态方案,实现的第一个路径非对称条件下的高效MDI-QKD实验。该项工作同时验证MDI-QKD网络中用户可便捷的动态接入网络或离开网络的可行性,进一步推进量子密钥分发网络实用化。最后,本文介绍了 TF-QKD协议与其关键实施技术。介绍我们根据此类协议的特点搭建的高速、高性能、高稳定的实验系统,讨论了整体系统性能影响因素及优化方案。在此基础上,介绍我们利用激光器注入锁定技术及相位后选择等方法,实现的超过500 km光纤传输距离的QKD实验工作。该项工作对未来远距离传输QKD具有重要意义。
关键词：量子密钥分发;BB84协议;测量设备无关协议;双场协议;诱骗态方法
学科专业：量子信息物理学
摘要
abstract
第1章 绪论
1.1 经典密码学的危机
1.2 更坚固的盾牌——量子通信
1.3 本文结构安排
第2章 标准量子密钥分发协议实验研究
2.1 标准BB84协议
2.1.1 协议实施过程
2.1.2 “无条件”安全的条件
2.2 诱骗态QKD协议
2.2.1 诱骗态协议理论
2.2.2 基矢探测器效率非对称下诱骗态协议理论
2.3 基矢探测效率非对称下BB84实验
2.3.1 实验装置及过程
2.3.2 实验数据及结果
2.3.3 实验总结与反思
第3章 测量设备无关量子密钥分发协议实验研究
3.1 防不胜防——针对探测端的攻击
3.1.1 探测器控制攻击
3.1.2 针对探测端光学器件的攻击
3.2 MDI-QKD协议介绍
3.2.1 MDI-QKD协议实施过程
3.2.2 诱骗态MDI-QKD协议理论进展
3.2.3 MDI-QKD实验系统进展
3.3 路径非对称下MDI-QKD
3.3.1 七强度诱骗态MDI-QKD理论
3.3.2 七强度诱骗态MDI-QKD实验
3.3.3 实验结果与总结
第4章 双场量子密钥分发协议
4.1 新型MDI-QKD协议
4.1.1 原始TF-QKD协议
4.1.2 PM-QKD协议
4.1.3 SNSTF-QKD协议
4.1.4 NPPTF-QKD协议
4.2 远距离TF-QKD实施关键技术与方案
4.2.1 相对相位差的测量与稳定
4.2.2 强度与相位调制
4.2.3 时间与偏振模式校准
第5章 双场量子密钥分发高速系统研制及实验研究
5.1 系统整体结构
5.2 500 km室内光纤传输的PM-QKD实验
5.2.1 实验装置及实施过程
5.2.2 实验结果与分析
5.3 402 km室内光纤传输的SNSTF-QKD实验
5.4 428 km现场光纤SNSTF-QKD实验
5.5 实验总结与反思
第6章 总结与展望
参考文献
附录A 基矢探测器效率非对称下诱骗态实验数据
附录B 路径非对称下MDI-QKD实验数据
附录C 超过500 km PM-QKD实验数据
致谢