7月，中国科学技术大学的王双及其研究团队取得一项新进展，他们实现了相位编码双场量子密钥分发的改进安全分析。相关研究成果已于2024年7月22日以“Improved security analysis for phase-encoding twin-field quantum key distribution”在《PHYSICAL REVIEW A》上发表。
量子密钥分发（QKD）是一种利用量子力学原理来实现两个通信方之间安全密钥生成的技术。它基于量子力学的特性，如不确定性原理和量子纠缠，以确保密钥的安全性。然而，实际的QKD系统可能会受到多种攻击，包括侧信道攻击和光子数分割攻击等。因此，对QKD协议的安全性分析至关重要，以确保其在实际应用中的可靠性。
本文提出的改进安全性分析针对的是相位编码的双场（TF）QKD协议。双场QKD是一种新型的QKD协议，它通过发送两个光场来提高密钥生成的速率和传输的距离。文章中特别关注了两种TF-QKD协议：相位匹配（PM）TF-QKD和四相位部分相位后选择（FP-PPP）TF-QKD。
协议过程的详细描述
文章详细描述了PM-TF-QKD和FP-PPP-TF-QKD的协议流程，包括状态准备、状态测量、强度筛选、相位后选择、参数估计和后处理。这些步骤是QKD协议的标准组成部分，对于实现安全密钥的生成至关重要。
状态准备：Alice和Bob随机选择光场的强度，并准备相应的量子态。 状态测量：中间节点Charlie对收到的量子态进行测量，并记录测量结果。 强度筛选：Alice和Bob公开他们的强度选择，并保留信号强度相同的轮次作为生成密钥的候选。 相位后选择：进一步筛选出相位差异在特定范围内的轮次。 参数估计和后处理：利用诱饵态的数据估计信号态的相位错误率，并进行错误校正和隐私放大以生成最终的密钥。
改进的安全性分析方法
文章中提出的改进安全性分析方法的核心思想是将正确轮次和错误轮次的信息泄露分别进行计算。这种方法受到SNS-TF-QKD协议的启发，其中正确和错误轮次的相位错误率被分别估计。在传统的相位编码QKD协议中，安全性分析通常将所有轮次作为一个整体来处理，这可能会导致对信息泄露的估计不够精确。
数据模拟验证
作者通过数值模拟验证了改进分析方法的有效性。模拟结果表明，与传统分析方法相比，改进的分析可以在不改变实验设置的情况下，提高PM-TF-QKD和FP-PPP-TF-QKD的信道损耗容忍度约1.5dB。这意味着使用改进分析的QKD系统可以在更长的传输距离上实现更高的密钥生成速率。
结论和研究意义
这项研究的意义在于提供了一种新的视角来分析和提高QKD协议的安全性和效率。随着量子通信技术的不断发展，确保QKD系统的安全性对于实现量子互联网和保护量子通信免受攻击至关重要。通过这种改进的安全性分析方法，研究人员和工程师可以设计出更加健壮和可靠的QKD系统，为量子通信的实用化和商业化铺平道路。
部分作者简介
王双，中国科学技术大学教授，国家青年人才，2016年获优青资助，主要从事量子通信和量子光学相关研究。以第一或通讯作者在Nature Photonics (2篇)、Nature Communications、PRX、PRL (3篇)、Optica (5篇)等高影响力期刊发表论文70余篇，获授权发明专利30余项。双场量子通信系列成果于2019年和2022年两次入选“中国光学十大进展”，并被新闻联播、新闻直播间等权威媒体报道。曾荣获教育部技术发明一等奖、军队科技进步一等奖和中国密码学会优秀青年奖。
银振强，中国科学技术大学副教授，研究方向包括实际安全性分析和方案验证、安全性证明和量子密钥分发协议的设计。
[1]https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.110.012450
[2]https://news.sciencenet.cn/htmlpaper/2024/7/20247251548063910317.shtm
[3]https://faculty.ustc.edu.cn/wangshuang/zh_CN/index.htm
[4]https://faculty.ustc.edu.cn/yinzhenqiang/zh_CN/index.htm
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