基于糾纏的量子安全通信理論研究.pdf

1、不同于基于沒(méi)有被證明的數(shù)學(xué)困難性問(wèn)題的計(jì)算復(fù)雜度的經(jīng)典安全通信，量子安全通信將安全通信建立在量子力學(xué)的客觀規(guī)律之上，理論上具有無(wú)條件安全性和竊聽(tīng)的可檢測(cè)性，為信息的安全傳輸提供了新的思路和方法，被視為安全通信最有發(fā)展?jié)摿Φ姆较?，具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的不斷提高，特別是超級(jí)計(jì)算機(jī)和并行計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展，基于計(jì)算復(fù)雜性假設(shè)的對(duì)稱和非對(duì)稱經(jīng)典密碼體系受到了嚴(yán)重挑戰(zhàn)。隨著新的算法如量子算法的提出，則加重了這一威脅。幸運(yùn)的是，

2、現(xiàn)代量子力學(xué)的發(fā)展和應(yīng)用為信息傳輸提供新的安全保障。自從1984年第一個(gè)量子安全通信協(xié)議問(wèn)世以來(lái)，眾多科研人員對(duì)量子安全通信保待著極大的興趣和信心，試圖將更多安全通信問(wèn)題量子化，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)條件安全的量子通信。正是基于此，本文對(duì)量子安全通信進(jìn)行了一定探索和研究并做出了階段性貢獻(xiàn)。
　　 以保障安全性、提高通信效率、降低復(fù)雜度和實(shí)現(xiàn)難度、簡(jiǎn)化操作等為目的，利用糾纏這種特殊的量子資源和現(xiàn)象，對(duì)量子安全通信進(jìn)行了較為深入地理論研究。改進(jìn)

3、了三個(gè)已有量子安全通信協(xié)議的安全性漏洞，設(shè)計(jì)了多個(gè)量子安全通信協(xié)議或模型，探討了多方、高維（高元）量子安全通信模式，提出了量子同時(shí)秘密分發(fā)概念。具體來(lái)說(shuō)主要工作包括:
　　 (1)提出了能成功竊聽(tīng)基于非最大糾纏態(tài)的雙向量子密碼協(xié)議（STF-B協(xié)議）中確定性量子密鑰比特的充分必要條件。針對(duì)該協(xié)議存在的安全性漏洞，提出一種改進(jìn)策略。
　　 (2)在設(shè)計(jì)了構(gòu)建和測(cè)量一類(lèi)四量子比特態(tài)的量子邏輯電路框架的基礎(chǔ)上，提出了最優(yōu)超密度編

4、碼量子安全直接通信(QSDC)協(xié)議，并詳細(xì)證明其安全性。由于使用了超密度編碼思想，所以該協(xié)議具有最大資源容量和最高通信效率。進(jìn)一步，提出了能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)超密度編碼量子安全直接通信的充分必要條件，為設(shè)計(jì)該類(lèi)協(xié)議提供理論支撐。
　　 (3)在詳細(xì)探究高維貝爾態(tài)及其糾纏交換的性質(zhì)的基礎(chǔ)上，提出了具有一般性和通用性的無(wú)酉操作確定性安全量子通信(DSQC)協(xié)議。通信雙方根據(jù)高維貝爾測(cè)量的結(jié)果，通過(guò)經(jīng)典模運(yùn)算即可完成信息的編、解碼，這極大的簡(jiǎn)化

5、了操作和降低了實(shí)現(xiàn)難度和成本。構(gòu)造了兩組相互無(wú)偏基，并根據(jù)其互補(bǔ)性質(zhì)，提出了檢測(cè)高維量子信道是否安全的方法。詳細(xì)分析了幾種常用攻擊策略，并計(jì)算了這些攻擊所引起的錯(cuò)誤率，進(jìn)而推導(dǎo)出通信雙方需設(shè)定的錯(cuò)誤率閾值上界。
　　 (4)提出了基于測(cè)量和經(jīng)典操作的確定性安全量子通信(MCO-DSQC)模型或協(xié)議。在MCO-DSQC模型或協(xié)議中，經(jīng)典操作代替酉操作實(shí)現(xiàn)信息的編碼和譯碼，所以其與傳統(tǒng)模型或協(xié)議相比實(shí)現(xiàn)難度和成本更低，魯棒性更強(qiáng)。另

6、值得一提的是，在基于單粒子的MCO-DSQC模型中，信息編碼置于量子態(tài)傳輸之后，這與傳統(tǒng)的通信模式截然相反，打破了傳統(tǒng)思維。
　　 (5)提出無(wú)酉操作的確定性多方量子秘密共享(DMQSS)協(xié)議。僅需執(zhí)行高維貝爾測(cè)量，所有代理商合作并根據(jù)經(jīng)銷(xiāo)商公開(kāi)的經(jīng)典信息即可恢復(fù)原始的秘密消息，表明在量子秘密共享中，酉操作并不是編碼確定性消息的必要條件。所提協(xié)議由于沒(méi)有使用酉操作，故實(shí)現(xiàn)難度和成本低，魯棒性強(qiáng)。此外，它由于利用高維貝爾態(tài)作為信息

7、載體，故還具有一般性、高資源信息容量等特點(diǎn)。
　　 (6)分析了基于x-型糾纏態(tài)的兩量子秘密共享(QSS)協(xié)議，指出該兩協(xié)議中共享的秘密能被兩代理商在沒(méi)有對(duì)方合作的情況下各自獨(dú)立地獲取一半消息，這不符合量子秘密共享的安全性基本要求，即任何授權(quán)的代理商子集不能獲取經(jīng)銷(xiāo)商共享的秘密的任何信息。此外，發(fā)現(xiàn)在第二個(gè)協(xié)議中量子信道的建立者(Trent)能竊取發(fā)送者(Alice)的秘密消息或者破壞量子通信而不會(huì)被發(fā)現(xiàn)。于是，給出了修補(bǔ)這些安

8、全性漏洞的方法。接著，探討了提高這兩協(xié)議的通信效率和簡(jiǎn)化其實(shí)現(xiàn)操作的改進(jìn)方法。
　　 (7)提出量子同時(shí)秘密分發(fā)的概念，將量子秘密共享(QSS)和量子廣播通信(QBC)歸納為它的特例。基于四量子比特Cluster態(tài)提出了三方量子同時(shí)秘密分發(fā)協(xié)議，并將其逐漸推廣至多方、高元情況，使之更具一般性、通用性及更強(qiáng)的適用性。詳細(xì)分析了各量子同時(shí)秘密分發(fā)協(xié)議的安全性，表明其具有很好的安全性。
　　 總之，本文通過(guò)跟蹤量子安全通信的最