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量子保密通信网络及其协议研究

作　者: 曹博
导　师: 唐朝京
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 军事通信学
关键词: 量子信息 量子密码 量子密钥分配 量子保密通信 量子保密通信网络
分类号: O413
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


量子保密通信是量子信息学的重要分支。量子保密通信以量子力学和经典密码学为理论基础,利用微观粒子的量子属性实现信息保护,其安全性由量子不可克隆定理和量子测不准原理保证。由于量子保密通信具有无条件安全性,因此受到了各国政府和军事部门的高度重视,很多学者和研究机构都在开展量子保密通信的研究。量子保密通信网络是未来量子保密通信技术向多用户发展的必然趋势。本文主要针对量子保密通信网络展开研究,研究内容包括以下几个方面:研究了实际量子保密通信网络的构建问题。介绍了量子密钥分配(Quantum Key Distribution,简称QKD)网络的三种实现方案,分析了这些方案的优缺点;将QKD网络与现有的光纤通信网络结合起来,设计了一种实际的量子保密通信网络模型;通过将信任节点骨干网与光纤城域接入网相结合,给出了量子保密通信广域网的框架;分析了信任节点骨干网络中可能遇到的瓶颈信道问题,提出将网络编码方案应用于实际量子网络,可以有效改善网络中密钥传输速率。研究了量子保密通信网络中任意两个用户间密钥分配的问题。提出了一种基于星型网络的任意两用户的量子密钥分配协议,给出了协议实现的量子逻辑门线路图。通过理论分析证明协议在窃听者Eve的攻击下是安全的。该协议只用到了基本的H门和CNOT门,协议的物理实现简单。基于一组有非定域性的双量子位正交直积态,设计了一种量子组密钥分配协议。由于这组双量子位直积态构成正交完备矢量组,因此可以将密钥信息编码在这组态上并发送给多个接收者,实现了一个发送者和一组接收者的密钥共享。该协议的安全性由正交直积态的非定域性来保证。直积态在实验上比纠缠态更容易产生和控制,相对于使用纠缠态的方案,该协议更容易在实验上实现。

全文目录


表目录  6-7
图目录  7-8
摘要  8-9
Abstract  9-10
第一章 绪论  10-20
  1.1 量子信息学概述  10-12
    1.1.1 经典信息与量子信息  10-11
    1.1.2 量子信息学研究现状  11-12
  1.2 量子保密通信概述  12-15
    1.2.1 量子保密通信理论的研究进展  13-14
    1.2.2 量子保密通信实验的研究进展  14-15
  1.3 量子保密通信网络研究进展  15-18
    1.3.1 DARPA网络  15-16
    1.3.2 SECOQC网络  16-17
    1.3.3 量子保密通信网络的国内研究现状  17-18
  1.4 本文主要工作和内容安排  18-20
第二章 量子保密通信的理论基础  20-29
  2.1 量子力学基本原理  20-25
    2.1.1 量子力学的基本假设  20-22
    2.1.2 量子态的性质  22-24
    2.1.3 量子纠缠  24-25
  2.2 量子信息学基础  25-28
    2.2.1 量子比特  25-26
    2.2.2 量子逻辑门  26-28
  2.3 小结  28-29
第三章 光纤量子保密通信网络研究  29-46
  3.1 量子密钥分配网络的三种实现方案  29-35
    3.1.1 光学节点QKD网络  29-32
    3.1.2 信任节点QKD网络  32-34
    3.1.3 量子节点QKD网络  34-35
  3.2 基于光纤通信网的量子保密通信城域网  35-40
    3.2.1 光纤量子保密通信城域网的设计  36-37
    3.2.2 通用光纤量子保密通信网络方案  37-40
  3.3 基于光纤通信网的量子保密通信广域网  40-44
    3.3.1 量子保密通信广域网的结构  40-42
    3.3.2 信任节点骨干网中的网络编码方案  42-44
  3.4 光纤量子保密通信网络的发展趋势  44-45
  3.5 小结  45-46
第四章 星型网络中任意两用户量子密钥分配协议设计  46-54
  4.1 概述  46-47
  4.2 星型网络中任意两用户量子密钥分配协议  47-50
    4.2.1 认证方案  47-48
    4.2.2 协议步骤  48-50
  4.3 安全性分析  50-53
    4.3.1 Eve在Alice发送粒子给CA的过程中进行攻击的情况  50-52
    4.3.2 Eve在CA发送粒子给Bob的过程中进行攻击  52-53
  4.4 小结  53-54
第五章 量子组密钥分配协议设计  54-66
  5.1 概述  54-55
  5.2 量子态的非定域性  55-58
    5.2.1 非定域性概念的起源  55-56
    5.2.2 非定域性的定义  56-58
  5.3 基于正交直积态的量子组密钥分配协议  58-61
    5.3.1 基本思想  58
    5.3.2 协议过程  58-61
  5.4 安全性分析  61-65
    5.4.1 在截取重发攻击下的安全性分析  61-62
    5.4.2 在集体攻击下的安全性分析  62-65
  5.5 小结  65-66
第六章 结束语  66-68
致谢  68-69
参考文献  69-74
作者在学期间取得的学术成果  74

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中图分类: > 数理科学和化学 > 物理学 > 理论物理学 > 量子论
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