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One-sided DI-QKD secure against coherent attacks over long distances

本文提出了一种单侧设备无关量子密钥分发（QKD）协议，该协议在不可信侧检测效率高于50.1%的情况下实现了针对相干攻击的安全性，通过将状态源置于不可信设备附近，使其能够实现与标准QKD相当的远距离部署。

原作者： Michele Masini, Shubhayan Sarkar

发布于 2026-06-18

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原作者： Michele Masini, Shubhayan Sarkar

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

想象一下，你和一位朋友想要分享一个秘密代码（即“密钥”），用它来锁定你们的消息，让其他人无法读取。在量子物理的世界里，我们有一种特殊的实现方式，叫做量子密钥分发 (QKD)。这就像是一个神奇的锁，由于物理定律的存在，一旦有人试图窥探，锁就会失效。

然而，这里有一个限制：通常情况下，你必须相信你的锁和朋友的锁都是完美的。如果这些锁略有缺陷，或者是由不靠谱的制造商制造的，黑客可能会潜入其中窃取你的秘密，而你却浑然不知。

问题所在：“完美锁”的困境

科学家们曾尝试通过创建设备无关 (DI) 协议来解决这个问题。你可以将其理解为一种“无需信任锁本身”的系统，你只需要检查魔法是否还在起作用即可。但这种“不信任任何东西”的系统有一个巨大的缺点：它们极其脆弱。它们需要捕捉到你发送的几乎每一个光子。如果即使只有少部分光子在光纤电缆中丢失（这在长距离传输中经常发生），整个系统就会失效。这就像是在一场飓风中玩接球游戏；如果球经常掉在地上，你就没法玩了。

解决方案：“半信任”的折中方案

这篇论文介绍了一种聪明的折中方案，称为单侧设备无关 (1SDI) QKD。

想象这样一个场景：你（爱丽丝/Alice）拥有一个位于安全实验室中的高科技、经过认证且值得信赖的锁。而你的朋友（鲍勃/Bob）使用的是一个“黑盒”锁，这个锁可能已经陈旧、损坏，甚至是由潜在的黑客制造的。

旧的方法： 在标准的设置中，如果“黑盒”那一侧不够完美，整个系统就会失败。
新的方法： 作者展示了只要你这一侧是可信的，鲍勃的那一侧即使有点“糟糕”也没关系。即使鲍勃的探测器漏掉了超过一半的球（光粒子），你仍然可以安全地生成密钥。

重大突破：50.1% 的魔力线

这篇论文中最令人兴奋的部分是数字 50.1%。

把鲍勃的探测器想象成一个试图捕鱼的网：

如果网上的洞大到连不到 50% 的鱼都能抓到，那么证明这些鱼是真实的（安全的）就变得不可能了。
作者证明了，如果鲍勃的网能抓住略高于 50% 的鱼，你仍然可以生成一个在数学上保证安全的密钥，即使黑客使用的是最复杂的手段（称为“相干攻击”）。

这是一个巨大的进步，因为 50% 是理论极限。你几乎不可能比这更低了。他们成功达到了物理上可能的绝对底线。

他们是如何做到的：“无过滤”规则

以往的尝试使用了一种叫做“后选择 (post-selection)”的技巧。这就像是在说：“我们只计算鲍勃抓到鱼的轮次，并丢弃所有他没抓到鱼的轮次。”

缺陷： 如果你丢弃数据，聪明的黑客就可以把他们的作弊行为隐藏在那些“丢失”的轮次中。
修正： 这篇论文指出：“不要丢弃任何东西！”即使鲍勃的探测器没有产生点击（即“丢失”），你也把这些数据保留在记录中。通过分析整个图景——包括那些失败的情况——他们证明了该系统可以抵御最普遍类型的攻击。

距离测试：我们能走多远？

作者还提出了疑问：“我们能发送多远的秘密密钥？”
在标准的“不信任任何东西”的系统中，由于光在电缆中会丢失，传输距离非常短。但在这种新设置中，我们将“光源”直接放在了靠近鲍勃的实验室一侧。

设置： 光源靠近鲍勃（所以他不会丢失信号），然后长距离传输到爱丽丝那里。
结果： 他们计算出，利用现有技术，该系统可以安全地传输密钥超过 247 公里（约 153 英里）。这与标准、安全性较低的系统所使用的距离相当。

现实世界的图景

想象一家银行（爱丽丝）和一台远程服务器（鲍勃）。

银行完全信任自己的设备。
服务器在另一个城市，其设备可能很陈旧，或者由第三方维护。
使用这种新方法，即使服务器的设备捕捉信号的效率只有 50%，银行仍然可以建立一个超级安全的连接。

总结

这篇论文通过现代数学更新了一个古老且著名的协议 (BB84)，证明了即使在另一方不可靠的情况下，它依然有效。

仅信任一侧： 你需要信任自己的设备，但不需要信任对方的设备。
低效率也没关系： 对方的设备只需有 50.1% 的效率即可。
不丢弃数据： 你保留所有数据，包括那些“失败”的情况，这使得系统能够抵御聪明的黑客。
长距离： 它可以工作数百公里，使其在现实世界中具有实用性。

简而言之，他们找到了一种方法，让量子安全性足够强健，能够应对设备并不完美且距离遥远的现实世界。

技术摘要：面向长距离且能抵御相干攻击的一侧设备无关（1SDI）DI-QKD

问题陈述
量子密钥分发（QKD）提供了可证明安全的通信，但它依赖于对设备行为的严格假设，如果设备偏离其数学模型，则会产生潜在的安全漏洞。设备无关（DI）QKD 协议通过最小化设备假设来解决这一问题；然而，由于对光子损耗极其敏感（需要难以实现的检测效率），目前的 DI 协议在传输距离上受到限制。相反，标准的设备依赖型 QKD 在距离方面表现稳健，但缺乏针对设备缺陷的安全保障。因此，需要一种能够平衡现实设备假设与长距离实现能力，同时保持针对最通用攻击类别（特别是相干攻击）安全性的协议。

方法论
作者提出了一种基于 BB84 方案纠缠版本的单侧设备无关（1SDI）QKD 协议。该场景涉及两方——Alice 和 Bob，双方共享一个纠缠态。

信任模型： Alice 的设备是“半可信”的（被信任执行两个具有离散结果的反交换观测量，尽管希尔伯特空间维度不受限制），而 Bob 的设备和状态源是完全不可信的。
配置： 为了减轻损耗，不可信的源被放置在靠近 Bob 实验室的位置。这最小化了不可信一侧的传输损耗，而 Alice 可信一侧的损耗则通过丢弃非检测轮次（公平采样假设）来处理。
安全框架： 不同于以往依赖于对不可信方结果进行后选择（这会使针对相干攻击的安全证明失效）的 1SDI 协议，本协议保留了 Bob 的所有结果，包括非检测事件（ $\emptyset$ ）。这使得应用广义熵累积定理（GEAT）来证明针对相干攻击的安全性成为可能。
密钥率分析： 渐近密钥率使用 Devetak-Winter 公式进行下界估计： $r_\infty \ge H(A_1|E) - H(A_1|B_1)$ $r_{\infty} \geq H (A_{1} ∣ E) - H (A_{1} ∣ B_{1})$ 。
- $H(A_1|B_1)$ 根据观测统计量计算。
- $H(A_1|E)$ $H (A_{1} ∣ E)$ （界定 Eve 信息量的条件冯·诺依曼熵）通过两种技术进行估计：
  1. 解析法： 基于为二维空间推导的界限，并通过 Jordan 引理扩展到任意维度。
  2. 数值法： 利用基于 NPA 层级的 Brown-Fawzi-Fawzi (BFF) 技术，该技术采用半正定规划（SDP）方法，利用完整的概率分布 $p(a,b|x,y)$ 来优化熵界。

核心贡献

相干攻击安全性： 本研究证明了具有每方两次测量的 1SDI 协议在不进行不可信方后选择的情况下，对于相连攻击是安全的。这是通过满足 GEAT 所要求的非定域性约束实现的。
检测效率阈值： 作者确定了 Bob 在不可信一侧的检测效率安全阈值为 50.1%。这接近于具有两个不可信测量的协议的理论极限，因为任何效率低于 50% 的协议都会允许 Bob 的观测量进行联合测量，从而导致协议失效。
长距离可行性： 通过将源置于不可信方（Bob）附近，该协议最小化了关键不可信信道的损耗。作者估计，在现实实验参数下（Bob 总检测效率为 90%，状态可见度为 99%，暗计数率为 $10^{-6}$ ），该协议可以在高达 247 km 的距离内实现。
优化策略： 研究探讨了部分纠缠态和噪声预处理的使用。虽然对于特定的 50.1% 阈值情况，最大纠缠态是最优的，但分析表明，对于较低的可见度，结合噪声预处理的部分纠缠态可以提高密钥率。

结果

密钥率 vs. 效率： 使用保留 Bob 非检测事件作为独立结果的完整统计数据的 BFF 数值技术，该协议在检测效率高达 50.1% 时仍能保持正向密钥率。
噪声鲁棒性： 分析了协议对去极化噪声和暗计数数的鲁棒性。结果表明，虽然 Bob 观测量的联合测量性设定了一个硬性不安全边界，但存在一个区域，即使在观测量不可联合测量时密钥率也为负，这表明协议仍有进一步改进的空间。
距离估计： 在假设源与 Bob 同处一地的假设下，该协议在大约 247 km 处实现正向密钥率，这一距离与标准 QKD 协议相当，前提是不可信一侧保持高检测效率。

意义
本文声称弥合了设备无关协议的高安全性与标准 QKD 的长距离能力之间的差距。通过将最新的理论框架（GEAT 和 BFF 技术）应用于改进的 BB84 方案，作者证明了 1SDI QKD 可以针对相干攻击实现安全，且其所需的检测效率在当前实验能力范围内。这项工作表明，两个测量协议的理论极限（50%）在实践中是可实现的，为其中一方设备为“半可信”而另一方不可信的长距离高安全性量子通信提供了一条可行的路径。作者指出，这些结果已在随后利用局部贝尔测试的研究中得到了独立证实。