基于糾纏的量子安全通信理論研究.pdf

1、不同于基于沒有被證明的數(shù)學困難性問題的計算復雜度的經(jīng)典安全通信，量子安全通信將安全通信建立在量子力學的客觀規(guī)律之上，理論上具有無條件安全性和竊聽的可檢測性，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?，具有廣闊的應用前景。隨著現(xiàn)代計算機計算能力的不斷提高，特別是超級計算機和并行計算機的快速發(fā)展，基于計算復雜性假設的對稱和非對稱經(jīng)典密碼體系受到了嚴重挑戰(zhàn)。隨著新的算法如量子算法的提出，則加重了這一威脅。幸運的是，

2、現(xiàn)代量子力學的發(fā)展和應用為信息傳輸提供新的安全保障。自從1984年第一個量子安全通信協(xié)議問世以來，眾多科研人員對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題量子化，從而實現(xiàn)無條件安全的量子通信。正是基于此，本文對量子安全通信進行了一定探索和研究并做出了階段性貢獻。
　　 以保障安全性、提高通信效率、降低復雜度和實現(xiàn)難度、簡化操作等為目的，利用糾纏這種特殊的量子資源和現(xiàn)象，對量子安全通信進行了較為深入地理論研究。改進

3、了三個已有量子安全通信協(xié)議的安全性漏洞，設計了多個量子安全通信協(xié)議或模型，探討了多方、高維（高元）量子安全通信模式，提出了量子同時秘密分發(fā)概念。具體來說主要工作包括:
　　 (1)提出了能成功竊聽基于非最大糾纏態(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。針對該協(xié)議存在的安全性漏洞，提出一種改進策略。
　　 (2)在設計了構建和測量一類四量子比特態(tài)的量子邏輯電路框架的基礎上，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。進一步，提出了能實現(xiàn)最優(yōu)超密度編碼量子安全直接通信的充分必要條件，為設計該類協(xié)議提供理論支撐。
　　 (3)在詳細探究高維貝爾態(tài)及其糾纏交換的性質的基礎上，提出了具有一般性和通用性的無酉操作確定性安全量子通信(DSQC)協(xié)議。通信雙方根據(jù)高維貝爾測量的結果，通過經(jīng)典模運算即可完成信息的編、解碼，這極大的簡化

5、了操作和降低了實現(xiàn)難度和成本。構造了兩組相互無偏基，并根據(jù)其互補性質，提出了檢測高維量子信道是否安全的方法。詳細分析了幾種常用攻擊策略，并計算了這些攻擊所引起的錯誤率，進而推導出通信雙方需設定的錯誤率閾值上界。
　　 (4)提出了基于測量和經(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)議相比實現(xiàn)難度和成本更低，魯棒性更強。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)行高維貝爾測量，所有代理商合作并根據(jù)經(jīng)銷商公開的經(jīng)典信息即可恢復原始的秘密消息，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)議由于沒有使用酉操作，故實現(xiàn)難度和成本低，魯棒性強。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。
　　 (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有對方合作的情況下各自獨立地獲取一半消息，這不符合量子秘密共享的安全性基本要求，即任何授權的代理商子集不能獲取經(jīng)銷商共享的秘密的任何信息。此外，發(fā)現(xiàn)在第二個協(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被發(fā)現(xiàn)。于是，給出了修補這些安

8、全性漏洞的方法。接著，探討了提高這兩協(xié)議的通信效率和簡化其實現(xiàn)操作的改進方法。
　　 (7)提出量子同時秘密分發(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?；谒牧孔颖忍谻luster態(tài)提出了三方量子同時秘密分發(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、通用性及更強的適用性。詳細分析了各量子同時秘密分發(fā)協(xié)議的安全性，表明其具有很好的安全性。
　　 總之，本文通過跟蹤量子安全通信的最