基于認證的量子直接通信研究.pdf

1、量子安全通信是量子計算與量子信息理論的主要研究方向,它將保密通信體系建立在量子力學理論之上,為信息的安全傳輸提供了一種新思路和新方法。量子力學在研究微觀粒子的狀態(tài)和運動方式時發(fā)現(xiàn)微觀粒子具有不可克隆、測不準和可相互糾纏等物理特性,這些特性可以確保利用微觀粒子載荷信息的這種未來通信技術(shù)具有理論上的無條件安全性和對竊聽的可檢測性,從而具有更加完備的優(yōu)良性能和光明的商業(yè)前景。自從震撼學界的BB84量子密鑰分配方案提出以來,吸引了眾多理論科學家

2、和工程技術(shù)人員加入量子安全通信研究領(lǐng)域,并取得了大量令人矚目的研究成果。
　　 目前量子安全通信的研究包括量子密鑰分配QKD(quantum key distribution)、量子秘密共享QSS(quantum secret sharing)、量子直接通信QDC(quantum direct communication和量子隱形傳態(tài)QT(quantumteleportation)等。與QKD、QSS等不同,量子直接通信QDC不

3、需要通信雙方事先共享密鑰來加密信息,而是基于量子力學的基本原理,根據(jù)所需要傳輸?shù)男畔砭幋a、解碼量子態(tài)從而完成信息的直接傳輸。顯然,量子直接通信比量子密鑰分配要求更高的安全性,由于它直接采用量子信道進行消息通信,被認為是真正意義上的量子安全通信。根據(jù)量子通信的研究現(xiàn)狀及最新的發(fā)展動態(tài),本文以量子直接通信作為研究對象,對其進行了深入的研究和探索。雖說量子直接通信的理論研究和工程實踐已取得了一定的成果,但部分方案可能還存在一些缺陷,在安全性

4、和效率方面還有較大的研究空間,對其進一步的改進和完善是一項不可或缺的工作。另外,當前QDC的研究主要集中于雙方通信模式,而對于更具實用意義的三方乃至多方同時量子直接通信研究較少。因此,如何構(gòu)建合理的編碼機制和酉操作算子,進而實現(xiàn)高效安全的多方量子直接通信也是一個非常有意義,且亟待解決的問題。再則,與二維量子態(tài)的二維Hilbert空間不同,高維量子態(tài)對應(yīng)的是多維Hilber空間,它具有更大信息容量,且體現(xiàn)出比二維量子系統(tǒng)更好的安全性。如何

5、將二維量子直接通信向高維擴展是一件具有重要理論價值而又復(fù)雜的工作。
　　 本文正是基于以上這些問題,以提高協(xié)議安全性和通信效率為目的,對多類量子直接通信協(xié)議進行了深入的研究和技術(shù)上的改進;并探討其在多方通信、高維量子態(tài)等模式下的實現(xiàn)。主要研究工作包括:
　　 (1)通過定義三維量子態(tài)及其酉算子、構(gòu)建兩組最大非正交三維量子態(tài)測量基,提出了一個基于互認證的三維單光子量子安全直接通信QSDC(quantum secure di

6、rect communication)協(xié)議,該協(xié)議可以很容易地進一步擴展到任意d維量子系統(tǒng)。該協(xié)議具有單光子通信經(jīng)濟實用并適合當前技術(shù)條件等優(yōu)點;相比較其他二維單光子QSDC方案,該協(xié)議能有效抵抗各類竊聽者Eve攻擊和偽裝者攻擊,并且通信效率有顯著提升。
　　 (2)基于互認證和誘騙光子檢測,提出了一個改進型高效QSDC協(xié)議。我們通過限定Trent不參與直接通信,僅僅進行通信雙方身份驗證的方式,有效解決了不誠實Trent攻擊等安

7、全威脅,并以代價更低的Bell態(tài)替代原來的GHZ態(tài),從而使得協(xié)議更經(jīng)濟可行。與同類協(xié)議相比,本協(xié)議通信效率也顯得更高效。
　　 (3)提出了兩種基于身份互認證的多方通信協(xié)議:一個多對一同時通信協(xié)議和一個為一對多量子廣播協(xié)議。通過利用多粒子GHZ態(tài)糾纏特性,前者實現(xiàn)多個通信者同時向某個接收者發(fā)送消息;后者實現(xiàn)了某個發(fā)送者的消息廣播。他們是雙方通信向多方通信模式的擴展,具有較好的應(yīng)用前景和實際意義。
　　 (4)提出了一個基

8、于糾纏交換的高維確定性安全量子通信DSQC(deterministic secure quantumcommunication)協(xié)議。高維QDC是二維量子通信系統(tǒng)向高維通信系統(tǒng)的擴展和衍生,具有較高的理論價值。本協(xié)議整個通信過程不需要酉操作,通信雙方根據(jù)高維貝爾測量的結(jié)果,通過簡單模加、減運算即可完成信息的編、解碼。另外,根據(jù)理論分析表明該協(xié)議可有效抵抗常見量子攻擊,具有較好的安全性。
　　 (5)提出了兩個基于非最大糾纏態(tài)(W

9、態(tài)和cluster態(tài))的確定性安全量子通信協(xié)議。首先,我們通過定義W數(shù)學形式和編碼算子,基于3粒子W提出了一個確定性安全量子通信協(xié)議,在協(xié)議中,我們通過隨機選擇兩組編碼操作的方式,成功實現(xiàn)了一個3粒子W態(tài)可安全傳輸1比特信息。另外,我們以4粒子cluster為信息載體,提出了一個高效的DSQC協(xié)議,該協(xié)議采用兩種不同初始態(tài),通信方隨機選擇其一進行消息編碼和粒子傳送,從而達到1個cluster態(tài)傳輸2比特信息。為了抵抗假冒者攻擊和執(zhí)行竊聽

10、檢測,兩個協(xié)議我們均采用了一組誘騙單光子序列作為抽樣檢測粒子,且在該序列中編碼身份信息,從而達到竊聽檢測同時驗證通信者身份的雙重效果。與其他同類相比較,所提出得兩個協(xié)議安全性更好,其通信效率又有一定的提高。
　　 全文章節(jié)安排如下,首先在第一章簡要回顧了QKD和QDC的發(fā)展現(xiàn)狀,并于第二章介紹了量子通信的理論基礎(chǔ),包括量子力學基本原理和量子信息基本概念,它是人們理解和研究量子安全通信的理論依據(jù)和基礎(chǔ)。第三章陳述和分析了量子認證相

11、關(guān)知識,包括量子身份認證、量子簽名和量子信道認證等。第四章以非糾纏態(tài),即單光子為研究對象,我們通過分析高維單光子量子態(tài)的特性,設(shè)計高維量子態(tài)及其操作算子的數(shù)學形式,提出了一個基于互認證的高維單光子量子安全直接通信協(xié)議,并對其安全性和效率進行了簡要分析。第五章以最大糾纏態(tài)(即二粒子Bell態(tài)、三粒子GHZ態(tài)和多粒子GHZ態(tài))為研究對象,探討其在量子直接通信中的應(yīng)用,分別提出了以一個基于Bell態(tài)和超密編碼的QSDC協(xié)議、一個基于Bell態(tài)