【摘 要】
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量子密钥分发（Quantum Key Distribution,QKD）以量子态为载体,在通信端Alice和Bob间进行对称密钥分发,其安全性以量子力学规律为基础,具有可证明性,因而受到广泛关注。自BB84协议提出以来,人们提出了许多其他QKD协议,如测量设备无关（Measurement-Device-Independent-,MDI-）QKD协议、发或不发双场（Sending-or-Not-Se
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量子密钥分发（Quantum Key Distribution,QKD）以量子态为载体,在通信端Alice和Bob间进行对称密钥分发,其安全性以量子力学规律为基础,具有可证明性,因而受到广泛关注。自BB84协议提出以来,人们提出了许多其他QKD协议,如测量设备无关（Measurement-Device-Independent-,MDI-）QKD协议、发或不发双场（Sending-or-Not-Sending Twin-Field,SNS-TF）QKD协议等。这些协议的理论安全性证明均得到了严格证明,但其证明基于一定的前提条件,当实验条件不满足这些前提时,就可能产生安全性漏洞并降低协议成码率。量子密钥分发的实际安全性和成码率提高研究正是本论文的核心内容。诱骗态MDI-QKD协议可保证使用非理想单光子源和非理想探测设备进行密钥分发时的安全性,四强度MDI-QKD协议因具有最优的成码表现而成为MDI-QKD协议的主流协议。在四强度MDI-QKD协议的基础上,我们提出了一种改进的成码率计算方法,可进一步将成码率提高50%以上。此外,我们还研究了QKD协议的全局优化算法,可在保证优化结果稳定性的前提下,尽可能减少优化耗时。四强度MDI-QKD协议并未解决MDI-QKD协议实用化进程中面临的所有问题,其中一个最重要的问题是强度涨落带来的安全性问题。在四强度诱骗态MDI-QKD协议的基础上,我们研究并得到了仅包含强度涨落上下界值的安全成码率公式。数值结果表明,1%的强度涨落幅度会带来50%左右的成码率下降。为提高该协议在有强度涨落时的成码率表现,我们研究了一种光源之间的强度涨落存在关联的体系,数值结果表明该体系下存在强度涨落时的成码率相较无强度涨落时的成码率几乎没有下降,这极大的提高了我们的理论的实用性。SNS-TF QKD协议具有容忍较大校准误差的特点,且其成码率和通道透过率之间的关系为～（?）,是目前最具实用前景的TF类QKD协议之一。SNS-TF QKD协议在无限码长下的安全性已经得到证明。我们在信息论的体系下证明了SNS-TF QKD协议在有限码长时的安全性。数值结果表明,SNS-TF QKD协议在有限码长时的最远成码距离仍可达到600 km.使用奇宇称纠错可进一步提高SNS-TF QKD协议的成码率。我们使用指数型量子de Finetti定理,得到了使用奇宇称纠错的SNS-TF QKD协议的有限码长下的安全成码率公式。数值结果表明,使用奇宇称纠错可将SNS-TF QKD协议的成码率提高一倍以上,且是目前所有考虑了有限码长效应的TF类QKD协议中成码率最高的。
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