量子保密通信協(xié)議設(shè)計(jì)與分析.pdf

1、通信安全是信息社會(huì)的一個(gè)突出問題。傳統(tǒng)密碼體制從物理的角度來看，由于其對(duì)簡(jiǎn)單的竊聽攻擊無法檢測(cè)，因而存在著本質(zhì)上的缺陷，這一缺陷被證明可以用量子密碼技術(shù)彌補(bǔ)。 本文緊跟量子密碼領(lǐng)域的前沿?zé)狳c(diǎn)課題，圍繞構(gòu)建量子保密通信系統(tǒng)的目標(biāo)，設(shè)計(jì)了一系列量子保密通信協(xié)議，并從安全性和效率等方面對(duì)所設(shè)計(jì)的協(xié)議作了深入的分析，包括量子加密算法，量子遠(yuǎn)程通信，量子密鑰管理和量子身份認(rèn)證四部分。本文主要取得了以下創(chuàng)新性成果： 在量子加密算法方

2、面，(1)基于量子計(jì)算的原理，提出了一種加密經(jīng)典二元信息的量子加密算法，并詳細(xì)分析了算法的安全性。該算法的優(yōu)點(diǎn)是不需要預(yù)先共享量子態(tài)，可在現(xiàn)有技術(shù)條件下實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)。 (2)通過將系統(tǒng)擴(kuò)展、置換、量子錯(cuò)誤和Hadamard變換引入加密過程，設(shè)計(jì)了一個(gè)保護(hù)量子比特的加密算法，并從多個(gè)方面分析了算法的安全性。該算法較為充分地利用了經(jīng)典密碼中的成熟技術(shù)，使得密文空間得到擴(kuò)展。這兩個(gè)量子加密算法均具有良好的擴(kuò)展性和應(yīng)用前景。 在量子

3、遠(yuǎn)程通信方面，提出了串聯(lián)量子遠(yuǎn)程通信和并聯(lián)量子遠(yuǎn)程通信兩個(gè)級(jí)聯(lián)量子遠(yuǎn)程通信方案，比較研究了串聯(lián)量子遠(yuǎn)程通信和多次量子遠(yuǎn)程通信的異同，在并聯(lián)量子遠(yuǎn)程通信的基礎(chǔ)上提出了一個(gè)簡(jiǎn)單的量子秘密共享方案。級(jí)聯(lián)量子遠(yuǎn)程通信延長(zhǎng)了量子通信的距離，在量子保密通信中有著重要的應(yīng)用，例如量子秘密共享和量子身份認(rèn)證。與多次量子遠(yuǎn)程通信相比，級(jí)聯(lián)量子遠(yuǎn)程通信所需的局域量子操作較少，更容易在實(shí)驗(yàn)上控制和實(shí)現(xiàn)。此外，研究了量子同步通信問題，利用量子遠(yuǎn)程通信的特性，通

4、過在不可靠信道上傳遞信息以建立可靠信道，設(shè)計(jì)了兩軍問題的量子同步通信協(xié)議，解決了兩軍問題。量子同步通信在連接的建立與釋放、網(wǎng)絡(luò)的擁塞控制和時(shí)延分析等方面有重要的應(yīng)用價(jià)值。 在量子密鑰管理的研究中，(1)通過用量子信道替換量子遠(yuǎn)程通信中的經(jīng)典信道，提出了一個(gè)獨(dú)特的效率為100﹪的量子密鑰協(xié)商協(xié)議。與現(xiàn)有量子密鑰分發(fā)協(xié)議不同的是，該協(xié)議不需要隨機(jī)數(shù)，密鑰的隨機(jī)性直接源于測(cè)量結(jié)果的隨機(jī)性，消除了隨機(jī)信號(hào)可能帶來的安全問題。(2)基于量

5、子糾纏交換設(shè)計(jì)了一個(gè)量子密鑰分發(fā)協(xié)議，該協(xié)議的突出優(yōu)點(diǎn)是所需的量子局域操作和經(jīng)典通信量較小。(3)提出了量子密鑰移交的概念，量子密鑰移交的目的是經(jīng)由公共信道將一個(gè)確定的密鑰移交給指定接收者，這個(gè)密鑰在協(xié)議執(zhí)行之前對(duì)發(fā)送者來說是確定的，對(duì)接收者來說是未知但唯一的?；贓PR關(guān)聯(lián)對(duì)的特性，通過測(cè)量和比較相結(jié)合的方式，首次設(shè)計(jì)了一個(gè)量子密鑰移交協(xié)議。 由于能將確定的密鑰安全地移交給指定接收者，量子密鑰移交在密鑰管理中有重要的意義。(4

6、)采用量子密鑰移交協(xié)議中的方法，設(shè)計(jì)了兩個(gè)多方量子密鑰分發(fā)協(xié)議，這些協(xié)議以新的視角實(shí)現(xiàn)了多方之間的安全會(huì)議密鑰分發(fā)，該研究成果在群組通信安全和量子密鑰管理方面有重要應(yīng)用。 在量子身份認(rèn)證方面，(1)首次提出了兩個(gè)跨中心的量子身份認(rèn)證方案，一個(gè)基于量子遠(yuǎn)程通信和糾纏交換，另一個(gè)基于串聯(lián)量子遠(yuǎn)程通信。這兩個(gè)方案克服了簡(jiǎn)單的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的量子身份認(rèn)證的缺點(diǎn)，通過跨中心的量子身份認(rèn)證，延長(zhǎng)了認(rèn)證的距離，擴(kuò)大了認(rèn)證的范圍，具有一定的靈活性和較好