量子安全通信協(xié)議理論研究.pdf

1、信息安全是推動信息化的前提條件，密碼系統(tǒng)是信息安全的基礎(chǔ)。量子技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是量子計算的出現(xiàn)，使得經(jīng)典的密碼系統(tǒng)難以滿足下一階段信息化的安全需求，因此，基于量子力學(xué)原理，以提供理論上絕對安全（無條件安全）的信息傳輸為宗旨的量子密碼協(xié)議吸引了大量的信息安全研究人員。量子安全通信是量子密碼研究的一個熱點，目前已逐步從理論設(shè)計進入研究應(yīng)用階段，推進量子安全通信的實用化，對量子安全通信的安全性有了更高的要求。本文以量子安全通信為研究背景，

2、圍繞理想環(huán)境下的量子安全通信、噪音下的量子安全通信和其他以量子安全通信為前提的量子密碼協(xié)議展開了研究。
　　主要研究內(nèi)容分為四部分。
　　1.理想環(huán)境下的量子安全通信
　　（1）提出了基于單光子的量子安全直接通信和身份認證協(xié)議并分析了其安全性。與已有協(xié)議相比，該協(xié)議只傳送一次粒子就完成了秘密信息傳送、身份認證和竊聽檢測，提高了效率同時又不損失安全性。
　　（2）提出了基于量子一次一密的量子廣播通信和身份認證協(xié)議并

3、分析了其安全性，該協(xié)議以糾纏GHZ態(tài)作為量子載體。與已有協(xié)議相比，該協(xié)議利用可重復(fù)使用的且編碼為單光子序列的身份字符串實現(xiàn)身份認證，此外，協(xié)議中沒有使用局域酉操作和哈希函數(shù)，因此本研究更容易實現(xiàn)、具有較高的效率、且不損失安全性。
　?。?）提出了基于五粒子簇態(tài)的受控量子安全直接通信和身份認證協(xié)議并分析了其安全性。每個五粒子簇態(tài)中，一個粒子用于作為控制者的控制權(quán)，兩個粒子用于傳輸兩位經(jīng)典位信息，拓展了受控量子通信協(xié)議實現(xiàn)的新思路，提

4、出了基于五粒子簇態(tài)的新應(yīng)用，提高了協(xié)議的實現(xiàn)效率。
　?。?）提出了基于五粒子簇態(tài)的雙向量子安全直接通信協(xié)議，該協(xié)議中五粒子簇態(tài)中的所有粒子都作為誘惑粒子插入量子信息序列用于竊聽檢測和傳輸秘密信息，竊聽檢測率達到每量子位88％，高于已有同類協(xié)議。
　?。?）提出基于EPR對的多方受控的雙向量子安全直接通信和身份認證協(xié)議，該協(xié)議以EPR對作為量子載體，利用糾纏交換特性實現(xiàn)雙向通信。合法通信方的身份被編碼為Bell態(tài)。被編碼的B

5、ell態(tài)又作為誘惑序列隨機混入發(fā)送序列進行竊聽檢測。與已有受控協(xié)議相比，該協(xié)議實現(xiàn)了多方用戶共同控制的通信協(xié)議。
　?。?）研究了三粒子W態(tài)，將三粒子W態(tài)作為蜜罐粒子引入到受控量子安全直接通信中，用于提高竊聽檢測率和防止double-CNOT攻擊。三粒子W態(tài)的每個粒子被隨機插入到發(fā)送序列中去探測竊聽，每量子位的竊聽探測率達到64%。
　　（7）研究了X基下的三粒子GHZ態(tài)，提出了一個基于X基三粒子GHZ態(tài)的受控的確定安全量子

6、通信協(xié)議，在整個協(xié)議中只進行了X基和Z1Z2X3基測量，使得協(xié)議易于實現(xiàn)。X基下的三粒子GHZ態(tài)作為誘惑粒子進行竊聽檢測，探測率達到75%每量子位。
　　2.噪音下的量子安全通信
　?。?）研究了退相噪音和旋轉(zhuǎn)噪音，構(gòu)造退相噪音和旋轉(zhuǎn)噪音環(huán)境下的邏輯量子態(tài)，它們不受退相噪音和旋轉(zhuǎn)噪音影響。任何邏輯量子態(tài)的疊加態(tài)都可以構(gòu)成對退相噪音或旋轉(zhuǎn)噪音免疫的消相干自由子空間（DFS）。若將需要在帶退相噪音或旋轉(zhuǎn)噪音的量子信道中傳輸?shù)墓庾?/p>

7、采用邏輯量子態(tài)的形式表達，再傳送，那么接收方接收后，通過適當(dāng)?shù)淖儞Q仍可以得到原量子態(tài)，這樣就可以保證被傳輸?shù)墓庾硬皇芡讼嘣胍艉托D(zhuǎn)噪音影響。在此基礎(chǔ)上，本論文研究了EPR對和超糾纏態(tài)在退相噪音和旋轉(zhuǎn)噪音環(huán)境下的狀態(tài)變化規(guī)律，并利用EPR對和超糾纏態(tài)分別實現(xiàn)了集體噪音環(huán)境下的高保真的量子安全通信和密集編碼的確定安全量子通信。與已有協(xié)議相比，這兩個協(xié)議分別實現(xiàn)了集體噪音環(huán)境下的安全通信及身份認證和集體噪音環(huán)境下具有高信道容量的安全通信及身份

8、認證。
　?。?）研究了消相干噪音和六量子位消相干自由態(tài)，提出了基于六量子位消相干自由態(tài)的魯棒的量子安全直接通信和身份認證協(xié)議。六量子位消相干自由態(tài)在集體消相干噪音下保持不變，無論噪音作用有多強。協(xié)議中利用六量子位消相干自由態(tài)作為誘惑粒子進行竊聽檢測，利用馮諾依曼熵計算出竊聽探測率達到每量子位81.3%。協(xié)議中采用六單光子測量基Z1Z2X3X4Z5Z6和X1Z2Z3X4Z5Z6，降低了實現(xiàn)的難度，經(jīng)過密度矩陣分析發(fā)現(xiàn)該協(xié)議可以抵御

9、相干攻擊。
　　3.量子隱私比較
　?。?）研究了五粒子簇態(tài)的特性，提出了基于五粒子簇態(tài)的量子隱私比較協(xié)議。與已有的兩用戶隱私比較協(xié)議相比，該協(xié)議更靈活更高效。該協(xié)議不僅可以同時比較兩對用戶的隱私，也可以只比較兩個用戶的隱私。與多用戶隱私比較協(xié)議相比，該協(xié)議在約束更少、更合理的半可信第三方條件下也很安全，半可信第三方無法獲取用戶的任何隱私信息。
　　（2）研究了多用戶量子隱私比較協(xié)議，發(fā)現(xiàn)已有的多用戶量子隱私比較協(xié)議存