量子安全通信理論與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、信息安全是一個(gè)具有重要意義的研究課題。密碼學(xué)是保障信息安全的重要工具之一，目前廣泛應(yīng)用的數(shù)學(xué)密碼依賴于沒(méi)有嚴(yán)格證明的數(shù)學(xué)難題。然而，隨著經(jīng)典計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的提高和量子計(jì)算機(jī)研究的重大突破，依賴于數(shù)學(xué)密碼的信息安全體制將面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。以經(jīng)典密碼學(xué)和量子物理學(xué)為基礎(chǔ)的量子密碼作為一種新型的密碼體制，其安全性受到量子力學(xué)基本規(guī)律的保證。量子不可克隆定理和測(cè)不準(zhǔn)原理保證了量子密碼的無(wú)條件安全性和對(duì)竊聽(tīng)的可檢測(cè)性，使得量子密碼具有良好的性能和

2、前景。 作為量子密碼研究重點(diǎn)的量子密鑰分發(fā)是最具有應(yīng)用前景的量子信息技術(shù)。但是由于產(chǎn)生和檢測(cè)單光子比較困難，基于離散變量的量子密鑰分發(fā)和量子直接安全通信難以獲得高通信速率。另一方面，目前連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)方案只能產(chǎn)生隨機(jī)密鑰，無(wú)法安全傳輸需要保密的有意義明文信息。因此連續(xù)變量確定性保密通信的研究是一個(gè)非常有意義的課題。目前量子密鑰分發(fā)方案均假定通信雙方為合法用戶，對(duì)量子身份認(rèn)證問(wèn)題較少涉及，為此研究量子身份認(rèn)證問(wèn)題吸引了廣泛的

3、興趣。 為了利用連續(xù)變量提高量子密鑰分發(fā)和量子安全通信的信息傳輸速率，并解決身份認(rèn)證問(wèn)題，本論文主要做了以下幾個(gè)方面的工作： 1．設(shè)計(jì)了一個(gè)基于高斯調(diào)制壓縮態(tài)的確定性量子密鑰分發(fā)方案。該方案不僅解決了高斯密鑰分發(fā)方案通信效率低和離散變量乒乓方案實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)困難的問(wèn)題，同時(shí)提高了密鑰傳輸速率。其中信息傳輸速率達(dá)到了Shannon信道容量。針對(duì)普遍的光束分離攻擊策略，采用Shannon信息理論對(duì)所提方案進(jìn)行了安全性分析，分析結(jié)果

4、表明該方案是安全的。為了有效檢測(cè)竊聽(tīng)，提出了把保真度F作為檢測(cè)竊聽(tīng)者的一種有效手段，保真度F對(duì)竊聽(tīng)行為異常敏感。量子信道一旦遭到竊聽(tīng)者干擾，保真度F迅速降低，為合法通信雙方提供安全警告。 2．設(shè)計(jì)了一個(gè)基于連續(xù)變量糾纏對(duì)量子安全通信方案。該方案的創(chuàng)新性在于通過(guò)改變非簡(jiǎn)并光學(xué)參量放大器的輸入?yún)?shù)同時(shí)實(shí)現(xiàn)量子密鑰分發(fā)和量子信息加密。該方案首先利用量子密鑰分發(fā)得到安全的密鑰，然后把獲得的密鑰作為量子加密算法的加解密密鑰實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)安全的量子

5、直接安全通信。該方案的安全性由連續(xù)變量糾纏對(duì)的糾纏關(guān)聯(lián)性保證。定義了與糾纏度密切相關(guān)的糾纏參數(shù)F，并把F作為檢測(cè)竊聽(tīng)者的手段。針對(duì)普遍的高斯克隆機(jī)攻擊策略，采用Shanllon信息論對(duì)量子安全通信方案進(jìn)行了安全性分析。分析結(jié)果表明，量子密鑰分發(fā)算法是安全的。即完成分發(fā)過(guò)程后，通過(guò)經(jīng)典糾錯(cuò)和保密增強(qiáng)技術(shù)，竊聽(tīng)者得不到任何有用信息。而量子加密算法是準(zhǔn)安全的，即竊聽(tīng)者和發(fā)送者之間的互信息量，(α，∈)隨著由加解密密鑰控制的干擾噪聲的增大而迅速

6、減少，逐漸趨向于0。 3．設(shè)計(jì)了一個(gè)連續(xù)變量“乒乓”協(xié)議，采用與糾纏度密切相關(guān)的糾纏參數(shù)F作為檢測(cè)竊聽(tīng)者的方法。針對(duì)光束分離攻擊策略，采用Shanllon信息論對(duì)連續(xù)變量“乒乓”方案做了安全性分析，分析結(jié)果表明該方案是安全的。 4．提出了一種離散變量量子身份認(rèn)證協(xié)議，并設(shè)計(jì)了兩種分別基于相位調(diào)制和偏振調(diào)制的量子身份認(rèn)證方案。量子身份認(rèn)證協(xié)議分為注冊(cè)階段和認(rèn)證階段。在注冊(cè)階段，用戶可以在認(rèn)證中心動(dòng)態(tài)地建立用戶資料數(shù)據(jù)庫(kù)。認(rèn)

7、證階段，認(rèn)證中心通過(guò)比較用戶傳送的用戶信息和用戶資料數(shù)據(jù)庫(kù)中的用戶身份信息驗(yàn)證用戶身份的合法性。該方案的安全性由量子不可克隆定理保證。根據(jù)提出的理論方案，分別設(shè)計(jì)了基于相位調(diào)制和偏振調(diào)制的量子身份認(rèn)證實(shí)驗(yàn)方案。設(shè)計(jì)了基于偏振調(diào)制的自由空間量子身份認(rèn)證實(shí)驗(yàn)方案，并做了原理性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。 5．初步研究了基于光纖通信的連續(xù)變量量子安全通信方案。采用偏振編碼與加密方法，把互不對(duì)易的兩個(gè)Stokes參量作為量子信號(hào)載波。最小測(cè)不準(zhǔn)原理保證該