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量子安全通信协议理论研究

 
【摘要】:信息安全是推动信息化的前提条件,密码系统是信息安全的基础。量子技术的迅速发展,特别是量子计算的出现,使得经典的密码系统难以满足下一阶段信息化的安全需求,因此,基于量子力学原理,以提供理论上绝对安全(无条件安全)的信息传输为宗旨的量子密码协议吸引了大量的信息安全研究人员。量子安全通信是量子密码研究的一个热点,目前已逐步从理论设计进入研究应用阶段,推进量子安全通信的实用化,对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为研究背景,围绕理想环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为前提的量子密码协议展开了研究。主要研究内容分为四部分。1.理想环境下的量子安全通信(1)提出了基于单光子的量子安全直接通信和身份认证协议并分析了其安全性。与已有协议相比,该协议只传送一次粒子就完成了秘密信息传送、身份认证和窃听检测,提高了效率同时又不损失安全性。(2)提出了基于量子一次一密的量子广播通信和身份认证协议并分析了其安全性,该协议以纠缠GHZ态作为量子载体。与已有协议相比,该协议利用可重复使用的且编码为单光子序列的身份字符串实现身份认证,此外,协议中没有使用局域酉操作和哈希函数,因此本研究更容易实现、具有较高的效率、且不损失安全性。(3)提出了基于五粒子簇态的受控量子安全直接通信和身份认证协议并分析了其安全性。每个五粒子簇态中,一个粒子用于作为控制者的控制权,两个粒子用于传输两位经典位信息,拓展了受控量子通信协议实现的新思路,提出了基于五粒子簇态的新应用,提高了协议的实现效率。(4)提出了基于五粒子簇态的双向量子安全直接通信协议,该协议中五粒子簇态中的所有粒子都作为诱惑粒子插入量子信息序列用于窃听检测和传输秘密信息,窃听检测率达到每量子位88%,高于已有同类协议。(5)提出基于EPR对的多方受控的双向量子安全直接通信和身份认证协议,该协议以EPR对作为量子载体,利用纠缠交换特性实现双向通信。合法通信方的身份被编码为Bell态。被编码的Bell态又作为诱惑序列随机混入发送序列进行窃听检测。与已有受控协议相比,该协议实现了多方用户共同控制的通信协议。(6)研究了三粒子W态,将三粒子W态作为蜜罐粒子引入到受控量子安全直接通信中,用于提高窃听检测率和防止double-CNOT攻击。三粒子W态的每个粒子被随机插入到发送序列中去探测窃听,每量子位的窃听探测率达到64%。(7)研究了X基下的三粒子GHZ态,提出了一个基于X基三粒子GHZ态的受控的确定安全量子通信协议,在整个协议中只进行了X基和Z1Z2X3基测量,使得协议易于实现。X基下的三粒子GHZ态作为诱惑粒子进行窃听检测,探测率达到75%每量子位。2.噪音下的量子安全通信(1)研究了退相噪音和旋转噪音,构造退相噪音和旋转噪音环境下的逻辑量子态,它们不受退相噪音和旋转噪音影响。任何逻辑量子态的叠加态都可以构成对退相噪音或旋转噪音免疫的消相干自由子空间(DFS)。若将需要在带退相噪音或旋转噪音的量子信道中传输的光子采用逻辑量子态的形式表达,再传送,那么接收方接收后,通过适当的变换仍可以得到原量子态,这样就可以保证被传输的光子不受退相噪音和旋转噪音影响。在此基础上,本论文研究了EPR对和超纠缠态在退相噪音和旋转噪音环境下的状态变化规律,并利用EPR对和超纠缠态分别实现了集体噪音环境下的高保真的量子安全通信和密集编码的确定安全量子通信。与已有协议相比,这两个协议分别实现了集体噪音环境下的安全通信及身份认证和集体噪音环境下具有高信道容量的安全通信及身份认证。(2)研究了消相干噪音和六量子位消相干自由态,提出了基于六量子位消相干自由态的鲁棒的量子安全直接通信和身份认证协议。六量子位消相干自由态在集体消相干噪音下保持不变,无论噪音作用有多强。协议中利用六量子位消相干自由态作为诱惑粒子进行窃听检测,利用冯诺依曼熵计算出窃听探测率达到每量子位81.3%。协议中采用六单光子测量基Z1Z2X3X4Z5Z6和X1Z2Z3X4Z5Z6,降低了实现的难度,经过密度矩阵分析发现该协议可以抵御相干攻击。3.量子隐私比较(1)研究了五粒子簇态的特性,提出了基于五粒子簇态的量子隐私比较协议。与已有的两用户隐私比较协议相比,该协议更灵活更高效。该协议不仅可以同时比较两对用户的隐私,也可以只比较两个用户的隐私。与多用户隐私比较协议相比,该协议在约束更少、更合理的半可信第三方条件下也很安全,半可信第三方无法获取用户的任何隐私信息。(2)研究了多用户量子隐私比较协议,发现已有的多用户量子隐私比较协议存在半可信第三方攻击漏洞,分析了该漏洞并提出了改进的方法。4.量子隐私查询提出了基于二粒子非正交态和USD测量的量子隐私查询协议,从光子丢失容忍度、第三方两点攻击、量子效率比较、数据库安全、用户隐私等方面分别分析了协议的安全性和性能,不仅分别从单个因素将协议与已有协议进行比较,而且从一个综合的角度分析了对于特定或最优参数集合该协议的安全性及资源耗费,发现该协议更易实现,安全性和效率的综合性能更高。
【学位授予单位】:电子科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:O413;TN918

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