量子安全通信理論與實驗研究.pdf

1、信息安全是一個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)密碼依賴于沒有嚴(yán)格證明的數(shù)學(xué)難題。然而，隨著經(jīng)典計算機計算能力的提高和量子計算機研究的重大突破，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不準(zhǔn)原理保證了量子密碼的無條件安全性和對竊聽的可檢測性，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)生隨機密鑰，無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，對量子身份認(rèn)證問題較少涉及，為此研究量子身份認(rèn)證問題吸引了廣泛的

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)證問題，本論文主要做了以下幾個方面的工作： 1．設(shè)計了一個基于高斯調(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驗實現(xiàn)困難的問題，同時提高了密鑰傳輸速率。其中信息傳輸速率達到了Shannon信道容量。針對普遍的光束分離攻擊策略，采用Shannon信息理論對所提方案進行了安全性分析，分析結(jié)果

4、表明該方案是安全的。為了有效檢測竊聽，提出了把保真度F作為檢測竊聽者的一種有效手段，保真度F對竊聽行為異常敏感。量子信道一旦遭到竊聽者干擾，保真度F迅速降低，為合法通信雙方提供安全警告。 2．設(shè)計了一個基于連續(xù)變量糾纏對量子安全通信方案。該方案的創(chuàng)新性在于通過改變非簡并光學(xué)參量放大器的輸入?yún)?shù)同時實現(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作為檢測竊聽者的手段。針對普遍的高斯克隆機攻擊策略，采用Shanllon信息論對量子安全通信方案進行了安全性分析。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)過程后，通過經(jīng)典糾錯和保密增強技術(shù)，竊聽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)計了一個連續(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作為檢測竊聽者的方法。針對光束分離攻擊策略，采用Shanllon信息論對連續(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)議分為注冊階段和認(rèn)證階段。在注冊階段，用戶可以在認(rèn)證中心動態(tài)地建立用戶資料數(shù)據(jù)庫。認(rèn)

7、證階段，認(rèn)證中心通過比較用戶傳送的用戶信息和用戶資料數(shù)據(jù)庫中的用戶身份信息驗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)計了基于相位調(diào)制和偏振調(diào)制的量子身份認(rèn)證實驗方案。設(shè)計了基于偏振調(diào)制的自由空間量子身份認(rèn)證實驗方案，并做了原理性驗證實驗。 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，把互不對易的兩個Stokes參量作為量子信號載波。最小測不準(zhǔn)原理保證該