基于認證的量子直接通信研究.pdf

1、量子安全通信是量子計算與量子信息理論的主要研究方向,它將保密通信體系建立在量子力學理論之上,為信息的安全傳輸提供了一種新思路和新方法。量子力學在研究微觀粒子的狀態(tài)和運動方式時發(fā)現微觀粒子具有不可克隆、測不準和可相互糾纏等物理特性,這些特性可以確保利用微觀粒子載荷信息的這種未來通信技術具有理論上的無條件安全性和對竊聽的可檢測性,從而具有更加完備的優(yōu)良性能和光明的商業(yè)前景。自從震撼學界的BB84量子密鑰分配方案提出以來,吸引了眾多理論科學家

2、和工程技術人員加入量子安全通信研究領域,并取得了大量令人矚目的研究成果。
　　 目前量子安全通信的研究包括量子密鑰分配QKD(quantum key distribution)、量子秘密共享QSS(quantum secret sharing)、量子直接通信QDC(quantum direct communication和量子隱形傳態(tài)QT(quantumteleportation)等。與QKD、QSS等不同,量子直接通信QDC不

3、需要通信雙方事先共享密鑰來加密信息,而是基于量子力學的基本原理,根據所需要傳輸的信息來編碼、解碼量子態(tài)從而完成信息的直接傳輸。顯然,量子直接通信比量子密鑰分配要求更高的安全性,由于它直接采用量子信道進行消息通信,被認為是真正意義上的量子安全通信。根據量子通信的研究現狀及最新的發(fā)展動態(tài),本文以量子直接通信作為研究對象,對其進行了深入的研究和探索。雖說量子直接通信的理論研究和工程實踐已取得了一定的成果,但部分方案可能還存在一些缺陷,在安全性

4、和效率方面還有較大的研究空間,對其進一步的改進和完善是一項不可或缺的工作。另外,當前QDC的研究主要集中于雙方通信模式,而對于更具實用意義的三方乃至多方同時量子直接通信研究較少。因此,如何構建合理的編碼機制和酉操作算子,進而實現高效安全的多方量子直接通信也是一個非常有意義,且亟待解決的問題。再則,與二維量子態(tài)的二維Hilbert空間不同,高維量子態(tài)對應的是多維Hilber空間,它具有更大信息容量,且體現出比二維量子系統更好的安全性。如何

5、將二維量子直接通信向高維擴展是一件具有重要理論價值而又復雜的工作。
　　 本文正是基于以上這些問題,以提高協議安全性和通信效率為目的,對多類量子直接通信協議進行了深入的研究和技術上的改進;并探討其在多方通信、高維量子態(tài)等模式下的實現。主要研究工作包括:
　　 (1)通過定義三維量子態(tài)及其酉算子、構建兩組最大非正交三維量子態(tài)測量基,提出了一個基于互認證的三維單光子量子安全直接通信QSDC(quantum secure di

6、rect communication)協議,該協議可以很容易地進一步擴展到任意d維量子系統。該協議具有單光子通信經濟實用并適合當前技術條件等優(yōu)點;相比較其他二維單光子QSDC方案,該協議能有效抵抗各類竊聽者Eve攻擊和偽裝者攻擊,并且通信效率有顯著提升。
　　 (2)基于互認證和誘騙光子檢測,提出了一個改進型高效QSDC協議。我們通過限定Trent不參與直接通信,僅僅進行通信雙方身份驗證的方式,有效解決了不誠實Trent攻擊等安

7、全威脅,并以代價更低的Bell態(tài)替代原來的GHZ態(tài),從而使得協議更經濟可行。與同類協議相比,本協議通信效率也顯得更高效。
　　 (3)提出了兩種基于身份互認證的多方通信協議:一個多對一同時通信協議和一個為一對多量子廣播協議。通過利用多粒子GHZ態(tài)糾纏特性,前者實現多個通信者同時向某個接收者發(fā)送消息;后者實現了某個發(fā)送者的消息廣播。他們是雙方通信向多方通信模式的擴展,具有較好的應用前景和實際意義。
　　 (4)提出了一個基

8、于糾纏交換的高維確定性安全量子通信DSQC(deterministic secure quantumcommunication)協議。高維QDC是二維量子通信系統向高維通信系統的擴展和衍生,具有較高的理論價值。本協議整個通信過程不需要酉操作,通信雙方根據高維貝爾測量的結果,通過簡單模加、減運算即可完成信息的編、解碼。另外,根據理論分析表明該協議可有效抵抗常見量子攻擊,具有較好的安全性。
　　 (5)提出了兩個基于非最大糾纏態(tài)(W

9、態(tài)和cluster態(tài))的確定性安全量子通信協議。首先,我們通過定義W數學形式和編碼算子,基于3粒子W提出了一個確定性安全量子通信協議,在協議中,我們通過隨機選擇兩組編碼操作的方式,成功實現了一個3粒子W態(tài)可安全傳輸1比特信息。另外,我們以4粒子cluster為信息載體,提出了一個高效的DSQC協議,該協議采用兩種不同初始態(tài),通信方隨機選擇其一進行消息編碼和粒子傳送,從而達到1個cluster態(tài)傳輸2比特信息。為了抵抗假冒者攻擊和執(zhí)行竊聽

10、檢測,兩個協議我們均采用了一組誘騙單光子序列作為抽樣檢測粒子,且在該序列中編碼身份信息,從而達到竊聽檢測同時驗證通信者身份的雙重效果。與其他同類相比較,所提出得兩個協議安全性更好,其通信效率又有一定的提高。
　　 全文章節(jié)安排如下,首先在第一章簡要回顧了QKD和QDC的發(fā)展現狀,并于第二章介紹了量子通信的理論基礎,包括量子力學基本原理和量子信息基本概念,它是人們理解和研究量子安全通信的理論依據和基礎。第三章陳述和分析了量子認證相

11、關知識,包括量子身份認證、量子簽名和量子信道認證等。第四章以非糾纏態(tài),即單光子為研究對象,我們通過分析高維單光子量子態(tài)的特性,設計高維量子態(tài)及其操作算子的數學形式,提出了一個基于互認證的高維單光子量子安全直接通信協議,并對其安全性和效率進行了簡要分析。第五章以最大糾纏態(tài)(即二粒子Bell態(tài)、三粒子GHZ態(tài)和多粒子GHZ態(tài))為研究對象,探討其在量子直接通信中的應用,分別提出了以一個基于Bell態(tài)和超密編碼的QSDC協議、一個基于Bell態(tài)