基于模型检测的量子通信协议安全性分析方法研究

发布时间：2020-03-28 06:25

【摘要】：随着信息化程度的不断深入,信息安全的重要性越来越受到各行各业的重视,与之相应的是密码技术的快速发展。经典密码学中加密算法的安全性是建立在其计算复杂度之上,也就是利用现有技术需要极大的时间才能破解该密码系统相关的数学难题。而随着大规模分布计算、算法优化和量子计算机的迅速发展,经典密码算法的安全性面临着严峻的考验。近年来,研究人员借助于量子力学独有的特性来解决信息的安全问题,为信息安全的发展开辟了新道路。量子通信作为量子力学、通信学和经典密码学的交叉性学科,其在最近十年进入快速发展时期,已然成为当下信息安全领域的热门研究方向。量子通信的安全性是由量子力学中的海森堡测不准原理、量子不可克隆定理、纠缠粒子的关联性和非定域性等物理特性来保证的,而不是建立在计算复杂度之上。因此,即使在计算能力的大幅提升的未来,量子安全通信依然可以抵御量子计算的攻击。量子通信相比于传统通信而言,其具有无条件安全的特性,这是量子通信的最大优势。而无条件安全是针对是否存在窃听者而言,即量子通信能够确保:如果存在窃听者,那么窃听者的窃听行为一定会被合法用户发现。量子通信虽有其不可替代的优势,但是量子安全通信协议的安全性证明是复杂且困难的。而安全性作为量子通信协议中最为重要的部分,它需要研究者用严密的数学逻辑和深厚的数学推理能力,从理论的角度证明其安全性,这都对研究者提出了很高的要求。为了简化安全性证明,本文首先从基于概率模型化检测的角度出发,验证了将单光子的偏振态作为诱惑粒子,进而来确定是否存在窃听者,实验取得令人满意的结果;其次,重点设计了多种量子通信协议(包含量子密钥分发协议、量子秘密共享协议和量子平等互换协议)的模型化检测方法;最后,从数学角度出发,证明了量子密钥分发、量子秘密共享和量子平等互换等协议的模型化检测的可行性和安全性,这为量子安全通信协议的安全性分析与证明提供了一些有价值的新思路和新方法。
【图文】：

计算复杂度

算量是“指数增长”的，而指数增长远比“多项式增长”要快得多，，计算复杂度如图1-1所示。图1-1 计算复杂度增长图就增长速度而言，超过一定的数值，指数增长会远远快于线性增长和幂函数增长。具体而言，如果一台普通计算机以每秒10^12次进行运算，那么分解一个300位的数字需要15万年，分解一个5000位的数字则需要50亿年。但是如果使用基于量子比特的量子计算机，就可以实现快速的因数分解。1994年，肖尔（PeterShor）发明了一种量子算法，把因数分解的计算量减少到了多项式级别。这意味同样还是分解300位和5000位的数字

墨子,卫星,量子通信

第 4 页共 53 页月16日，世界上首颗量子科学实验卫星“墨子号”于酒泉卫星发射基地升空成功（如图1-2所示），为我国引领世界量子通信技术发展，开展检验量子物理基本问题前沿研究，奠定了坚实的科学与技术基础。2016年底，“京沪干线”的全线贯通也推动量子通信技术在国防，科研，金融等领域的运用和发展（如图1-3所示）。“墨子号”量子卫星与“京沪干线”结合，将初步构建我国天地一体的广域量子通信基础设施，全面服务于国家信息安全[9]。图1-2 墨子号卫星图1-3 京沪量子通信干线1.2.2 模型检测的国内外现状1978 年， R. M. Needham 和 M. D. Schroeder 在《 Using encryption forauthentication in large networks of computers》[10]中提出了对密码协议进行形式化分析的想法。以此为开端
【学位授予单位】：成都信息工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O413;TN918

【参考文献】