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量子密码协议理论研究

作　者: 王剑
导　师: 沈荣骏；唐朝京
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 信息与通信工程
关键词: 量子信息量子密码量子密钥分配量子秘密共享量子安全直接通信量子认证量子广播通信
分类号: O413.1
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

量子信息学是量子力学与信息科学交叉融合产生的新兴交叉学科,它可以在许多方面突破经典信息理论的物理极限,从而产生一些在经典信息理论中不可思议的奇迹。量子信息学为未来信息科学的发展提供了新的原理和方法。量子密码是以量子力学和经典密码学为基础,利用微观粒子的量子属性实现信息保护的一种新型密码体制,它是量子信息学中最有可能获得实际应用的技术。由于量子密码提供了可证明安全性和检测窃听者存在与否的能力,它无疑具有非常重要的战略意义和巨大的应用前景,并将在信息安全中发挥重要的作用。本文以国家自然科学基金以及国防科技大学科研计划项目为依托,围绕量子密码领域中的研究热点,开展针对量子密码协议的理论研究工作,设计了一些新的量子密码协议,并从安全性和效率等方面对所设计的协议进行了分析。研究目标包括两个方面:一是在不损失安全性的前提下,提高协议的效率,增强协议的可实现性,尤其是加强协议在噪声信道条件下的鲁棒性;二是针对一些特殊的密码任务,提出相应的量子解决方案。本文主要涉及了量子密码协议的五个方面,包括量子密钥分配、量子秘密共享、量子安全直接通信、量子认证以及量子广播通信。在量子密钥分配和量子秘密共享方面,基于多粒子纠缠态,提出了一种可控量子密钥分配协议,该协议可以实现一种特殊的密码任务,即只有在控制方的许可下,通信双方才能建立共享密钥。此外,该协议在噪声量子信道中也是安全的;基于隐形传态和多粒子纠缠态,提出了一种多方安全直接通信的量子秘密共享协议。在该协议中,多个通信方可以直接共享发送方的秘密消息,而不是和发送方共享随机的密钥;基于Einstein-Podolsky-Rosen对和纠缠交换,提出了一种多方量子秘密共享协议,协议的实现不需要难以制备的多粒子Greenberger-Horne-Zeilinger态。与已有的基于纠缠交换的量子秘密共享协议相比较,该协议不需要进行局域幺正操作,协议的实现更为简单。在量子安全直接通信方面,本文的主要工作包括:基于单光子序列顺序重排,提出了一种量子安全直接通信协议。该协议利用单光子序列的秘密重新排列来保证协议的安全性,协议具有较高的效率和较强的可实现性;基于单光子序列的顺序重排,提出了一种可应用于一些特殊场景的多方控制的量子安全直接通信协议。由于该协议只需要制备单光子而不需要制备纠缠态,协议的实现较为简单;基于Einstein-Podolsky-Rosen对和隐形传态,提出了一种不需要事先建立安全量子信道的量子安全直接通信协议。该协议可以实现秘密消息的直接传送,而不要首先确定量子信道是否安全;基于Einstein-Podolsky-Rosen对和纠缠交换,提出了一种量子安全直接通信协议。该协议的特点是发送方可以直接将秘密消息编码在Einstein-Podolsky-Rosen对上,从而不需要事先保证量子信道的安全再进行消息编码;基于三粒子W态,提出了一种量子安全直接通信协议。三粒子W态在量子比特的损耗方面较之Greenberger-Horne-Zeilinger态更为强健;基于纠缠纯态,提出了一种量子安全直接通信协议。该协议利用非最大纠缠的量子信道实现秘密消息直接传送;基于Greenberger-Horne-Zeilinger态,提出了一种多方控制的量子安全直接通信协议。协议中,发送方可以直接将秘密消息发送给接收方,但是接收方只有在得到所有控制方的同意之后,才能恢复出发送方的秘密消息。由于利用了三粒子纠缠态的密集编码,协议具有较高的效率。在量子认证方面,基于纠缠交换,提出了一种多方同时的量子身份认证协议。该协议可以同时对多个用户的身份进行认证。如果系统中有许多用户等待可信第三方的认证,采用该协议可以极大地提高身份认证的效率;指出Lee提出的量子签名协议并没有用到纠缠特性,协议中的Greenberger-Horne-Zeilinger态可以用经典关联态代替;基于单光子,提出了一种针对经典消息的高效量子签名协议。在量子广播通信方而,分别基于纠缠交换、密集编码和量子加密提出了三个量子广播通信协议,即ES-QBC协议、DC-QBC协议和QE-QBC协议。在ES-QBC协议中,中心方和用户组共享一个组密钥以及一组多粒子Greenberger-Horne-Zeilinger态,并利用随机的σ_z基和σ_x基测量对用户的身份进行认证,同时检测窃听者的存在。中心方然后利用纠缠交换将编码的秘密消息同时发送给用户组的用户;在DC-QBC协议中,用户组的每一个用户和中心方共享一个认证密钥以及一组Greenberger-Horne-Zeilinger态,中心方在身份认证和窃听检测后,利用密集编码将秘密消息同时传送给用户;在QE-QBC协议中,中心方同样和每个合法用户共享一个认证密钥以及一组Greenberger-Horne-Zeilinger态。中心方首先认证用户并检测信道是否安全,然后通过控制非操作编码秘密消息,从而利用量子加密实现将秘密消息发送给用户组的任意子集。

全文目录

摘要  10-12
ABSTRACT  12-15
第一章绪论  15-24
  1.1 量子信息学概述  15-18
    1.1.1 量子信息与经典信息  15-16
    1.1.2 量子计算与量子通信  16-18
  1.2 量子密码协议研究概述  18-21
  1.3 本文主要工作  21-24
第二章量子密码学的理论基础  24-46
  2.1 量子密码学的物理基础  24-36
    2.1.1 量子力学的基本假设  24
    2.1.2 量子态的基本性质  24-25
    2.1.3 幺正变换和密度算子  25-27
    2.1.4 量子测量  27-29
    2.1.5 量子逻辑门  29-30
    2.1.6 量子纠缠  30-36
  2.2 量子密码学的信息论基础  36-42
    2.2.1 Shannon熵与von Neumann熵  36-39
    2.2.2 Holevo限  39-40
    2.2.3 量子Fano不等式和量子数据处理不等式  40-42
  2.3 量子密码协议的安全性分析  42-45
    2.3.1 针对量子密码协议的攻击方法  42-43
    2.3.2 量子密码协议的安全性证明  43-45
  2.4 小结  45-46
第三章量子密钥分配和量子秘密共享研究  46-68
  3.1 概述  46-51
    3.1.1 量子密钥分配  46-49
    3.1.2 量子秘密共享  49-51
  3.2 可控量子密钥分配协议  51-56
  3.3 基于纠缠交换的量子秘密共享协议  56-59
  3.4 安全直接通信的量子秘密共享协议  59-66
  3.5 小结  66-68
第四章量子安全直接通信研究  68-108
  4.1 概述  68-72
  4.2 基于单粒子系统的量子安全直接通信协议  72-80
    4.2.1 基于秘密顺序重排的QSDC协议  72-77
    4.2.2 基于秘密顺序重排的可控QSDC协议  77-80
  4.3 基于纠缠粒子系统的量子安全直接通信协议  80-107
    4.3.1 基于EPR对的QSDC协议  80-91
    4.3.2 基于W态的QSDC协议  91-95
    4.3.3 基于纯纠缠态的QSDC协议  95-99
    4.3.4 基于GHZ态的可控QSDC协议  99-107
  4.4 小结  107-108
第五章量子认证研究  108-130
  5.1 概述  108-116
    5.1.1 量子消息认证  108-110
    5.1.2 量子身份认证  110-111
    5.1.3 量子签名  111-116
  5.2 基于纠缠交换的量子身份认证协议  116-121
  5.3 带消息恢复的仲裁量子签名协议分析  121-123
  5.4 基于单光子的量子签名协议  123-129
    5.4.1 用单光子实现量子签名的原型协议  124-126
    5.4.2 针对经典消息的高效量子签名协议  126-129
  5.5 小结  129-130
第六章量子广播通信研究  130-144
  6.1 概述  130-132
  6.2 基于纠缠交换的量子广播通信协议  132-137
  6.3 基于密集编码的量子广播通信协议  137-140
  6.4 基于量子加密的量子广播通信协议  140-142
  6.5 小结  142-144
结束语  144-146
致谢  146-148
参考文献  148-159
作者在学期间取得的学术成果  159-160

量子密码协议理论研究

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