量子保密通信若干問(wèn)題的研究.pdf

1、上世紀(jì)下半葉以來(lái)，科學(xué)家在量子力學(xué)的基礎(chǔ)上建立了量子密碼學(xué)的概念。這種加密方法是用量子狀態(tài)來(lái)作為信息加密和解密的密鑰。任何想測(cè)算破譯密鑰的人，都會(huì)因改變量子態(tài)而無(wú)法得到有用的信息。與建立在復(fù)雜數(shù)學(xué)計(jì)算基礎(chǔ)上的傳統(tǒng)加密法相比，量子密碼學(xué)在理論上是“絕對(duì)安全”的，在信息交流日趨頻繁的今天具有廣闊的應(yīng)用前景和重大的科學(xué)意義。從理論上來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)計(jì)算加密方法都是可以破譯的，再?gòu)?fù)雜的數(shù)學(xué)密碼也可以找到規(guī)律。第一臺(tái)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的誕生，就是為了破解

2、復(fù)雜的數(shù)學(xué)密碼。隨著計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，破譯數(shù)學(xué)密碼的難度也逐漸降低。特別是目前量子計(jì)算機(jī)的研究以及一些量子算法如Shor大整數(shù)分解因子算法和Grover未加整理數(shù)據(jù)庫(kù)搜索算法的提出，給經(jīng)典密碼體制以致命的打擊，這也使得量子密碼學(xué)顯得更為重要。所以本論文主要探討和研究量子密碼學(xué)中的一些問(wèn)題，主要對(duì)量子密鑰分配、量子身份認(rèn)證、量子秘密共享、量子簽名、量子密碼算法以及量子安全直接通信等方面進(jìn)行了研究，主要成果及創(chuàng)新體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1.證明

3、量子密鑰分配方案所基于的W態(tài)只能為系數(shù)全部相同的對(duì)稱形式，提出了一種基于W態(tài)的量子密鑰分配方案。接收方隨機(jī)非對(duì)稱地使用消息模式和控制模式來(lái)保證該量子密鑰分配協(xié)議的安全。與以往采用Greenberger-Horne-Zeilinger(GHZ)最大糾纏態(tài)的量子密鑰分配方案相比，基于W態(tài)的方案效率不高，但目的只是為了證明可以采用不同于GHZ態(tài)之外的其它態(tài)用于量子密鑰分配。 2.提出了一種網(wǎng)絡(luò)多用戶量子認(rèn)證和密鑰分配理論方案。類似于現(xiàn)

4、代密碼學(xué)中的網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證體系結(jié)構(gòu)提出了一種基于網(wǎng)絡(luò)中用戶與所屬的可信服務(wù)器之間共享Einstein-Podolsky-Rosen(EPR)糾纏對(duì)進(jìn)行身份認(rèn)證和密鑰分配的分布式客戶機(jī)/服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)?；谠擉w系結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中任意用戶之間的身份認(rèn)證和密鑰分配?？尚欧?wù)器只提供用戶的身份認(rèn)證以及交換粒子之間的糾纏使得兩個(gè)想要秘密通信的用戶的粒子糾纏起來(lái)。密鑰的生成由發(fā)起請(qǐng)求的用戶自己完成。網(wǎng)絡(luò)中的用戶只需和所屬的可信服務(wù)器共享EPR糾纏對(duì)，通過(guò)經(jīng)

5、典信道和量子信道與服務(wù)器通信。用戶不需要互相共享EPR糾纏對(duì)，這使得網(wǎng)絡(luò)中的EPR對(duì)的數(shù)量由O(n2)減小到O(n)。 3.提出了一種基于糾纏交換的多方多級(jí)量子密鑰分配協(xié)議。構(gòu)造了一組兩方三級(jí)系統(tǒng)的完備正交歸一化基，利用該正交歸一化基和糾纏交換可以實(shí)現(xiàn)兩方量子密鑰分配。同時(shí)三級(jí)可以推廣到多級(jí)以及兩方推廣到多方，即可以實(shí)現(xiàn)基于糾纏交換的多方多級(jí)量子密鑰分配。這樣，利用糾纏交換和多級(jí)密鑰分配可以極大地提高檢測(cè)竊聽(tīng)的效率、密鑰生成率以

6、及信息容量。 4.提出了一種利用3()3Hilbert空間的不可擴(kuò)展乘積基和嚴(yán)格糾纏基的量子密鑰分配方案。該方案具有許多獨(dú)特的特點(diǎn)諸如容量大以及效率高。 5.提出了一種基于糾纏交換的量子兩方身份認(rèn)證協(xié)議，并擴(kuò)展到基于糾纏交換的量子多方身份認(rèn)證協(xié)議。協(xié)議中通信用戶初始共享的糾纏粒子對(duì)用作認(rèn)證密鑰。用戶通過(guò)對(duì)事先共享的糾纏粒子對(duì)進(jìn)行糾纏交換和進(jìn)行經(jīng)典通信，實(shí)現(xiàn)用戶之間的身份認(rèn)證。所提出的量子身份認(rèn)證協(xié)議可高效地應(yīng)用于需要對(duì)多

7、個(gè)用戶進(jìn)行身份認(rèn)證的環(huán)境中。 6.提出了一種單個(gè)N維量子系統(tǒng)的量子秘密共享方案。在該方案中，利用對(duì)BB84協(xié)議中使用的兩基四態(tài)擴(kuò)展到多基多態(tài)，分發(fā)者對(duì)要共享的秘密采用多基多態(tài)編碼，將被編碼的單個(gè)N維量子系統(tǒng)發(fā)送給他的兩個(gè)代理人之一，該代理人利用一個(gè)N-維克隆機(jī)對(duì)接收到的粒子做幺正操作，然后把粒子發(fā)送給另一代理人。在得知最后一個(gè)代理人接收到該粒子之后，分發(fā)者告知兩個(gè)代理人他所用的制備基，然后兩個(gè)代理人分別對(duì)自己的系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量并在合

8、作之后獲知分發(fā)者所發(fā)送的粒子的量子態(tài)。該方案的安全性基于量子不可克隆定理。另外該方案還具有信息量大效率高的特點(diǎn)。最后對(duì)該方案從兩方擴(kuò)展到N方進(jìn)行了討論。 7.提出了一種高效的利用n()n(n≥2)Hilbert空間中的正交乘積態(tài)的量子秘密共享協(xié)議。在該協(xié)議中，處于正交乘積態(tài)的粒子構(gòu)成兩個(gè)粒子序列。一個(gè)序列發(fā)送給Bob，另一個(gè)序列在重新排列粒子的順序之后發(fā)送給Charlie。Bob和Charlie做聯(lián)合的正交基測(cè)量獲得Alice發(fā)

9、送給他們的正交乘積態(tài)的信息。該協(xié)議具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)如容量大和效率高。推廣到多方的情況也被討論。 8.提出了一種基于公鑰密碼、經(jīng)典糾錯(cuò)碼和不同量子寄存器之間計(jì)算的量子簽名方案。一個(gè)簽名可經(jīng)過(guò)多個(gè)人驗(yàn)簽。這一方案的優(yōu)點(diǎn)是所采用的公鑰和秘密密鑰均為經(jīng)典密鑰，易于密鑰管理。 9.提出了一種量子序列密碼算法。該算法采用了經(jīng)典密鑰，并借鑒了經(jīng)典密碼體制中密鑰擴(kuò)展的思想，加密和解密是通過(guò)適當(dāng)?shù)牧孔硬僮魍瓿傻?。?duì)算法的安全性進(jìn)行了分析

10、，證明該算法的無(wú)條件安全性由量子力學(xué)的性質(zhì)來(lái)保證。 10.提出了一種量子分組密碼算法。該算法的設(shè)計(jì)借鑒了經(jīng)典密碼學(xué)中利用代替增強(qiáng)混亂的特性，設(shè)計(jì)了四種可能的代替操作和四種可能的置換操作，具有經(jīng)典密鑰量減少以及對(duì)插入的免疫性等優(yōu)點(diǎn)。該算法利用現(xiàn)有的技術(shù)是可行的。 11.提出了一種高效的利用量子糾纏和極化的單光子的量子認(rèn)證和安全直接通信(QASDC)方案。該方案使用成批的糾纏對(duì)和非正交態(tài)粒子，兩者用“按密鑰穿插”的方法混合在