基于BB84协议的量子数字签名方案研究

发布时间：2021-11-25 05:17

　　数字签名被认为是现代密码学最重要的发明之一,主要用于保证通信中信息的完整性和发送方的身份认证。然而,经典的签名协议的安全性依赖于一些复杂的数学计算,如寻找离散对数或因式分解大质数。因此,随着计算机技术的高速发展和量子算法的提出,数字签名将面临安全性问题。在这种情况下,人们提出了量子数字签名来保证签名信息的安全性。原则上,量子数字签名的无条件安全性可以由量子力学基本原理保证。本文首先介绍量子数字签名的背景和研究进展。随后讲述与量子数字签名中用到的量子密钥分发协议,这里主要介绍量子密钥分发的无条件安全性以及BB84协议,紧接着介绍克服光子数分束攻击的诱骗态方法,之后描述基于BB84协议的量子数字签名方法的协议流程以及安全性分析。基于BB84协议的量子数字签名方法近几年在理论和实验上都实现了进展,但是仍然面临许多挑战,比如签名率低、安全传输距离短、实际的实验操作较为困难等。本文主要针对这些缺陷提出相应的弥补方案,主要概括为以下两个方面:1.由于还没有理想的单光子源,之前的理论上和实验上研究量子数字签名的大多数工作都采用弱相干光源。但是弱相干光源存在的不可忽略的真空成分以及多光子成分导致了签名... 

【文章来源】：南京邮电大学江苏省

【文章页数】：58 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

PNS攻击原理图

南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第二章量子数字签名基础知识12研究的深入，更加符合实际操作的诱骗态方案被提出，目前诱骗态方法已经广泛用于量子密钥分发系统中。2.2.2诱骗态方法原理发送方Alice端添加了一个诱骗态光源来制备诱骗态来检测PNS攻击，这是诱骗态方法抵御PNS攻击的重要原理。Alice有两种可以发送不同强度脉冲的光源，即信号态和诱骗态，前者通信双方之间用来生成密钥，后者用来检测Eve是否发起了PNS攻击。如原理图2.2所示，Alice在信号态和诱骗态中随机选择一种，由于Eve无法区分信号来自于哪个光源，于是对所有拦截到的光子进行PNS攻击。而Alice会告诉接收方Bob发送的每个光脉冲是来自于两种光源中的哪一种，Bob对发送的光信号都进行测量，且根据测量结果分别得到两种光源的响应率。在Bob端，通过将两种光源响应率的比值和两种光源强度的比值进行比较来检测PNS攻击，即只有两个比值相同时，信道中是没有PNS攻击的，如果Eve实施了PNS攻击，两个比值将不再相同，通信双方将会发现窃听者Eve的存在。因此，在Bob端可以通过比较不同光源的响应率来检测是否有PNS攻击。图2.2诱骗态方法原理示意图Hwang诱骗态思想的提出为抵抗非理想单光子源中的光子数分束攻击提供了有效的解决办法，进一步弥补了量子密钥分发协议实际实现中的安全漏洞。此外，后来LoHK[9]和王向斌[12]等人在受到该思想的影响，提出了更适于实际操作的诱骗态方法，并且进行了系统成码率的推导和严格的安全性证明。在他们提出的诱骗态量子密钥分发系统除了能及时地检测到PNS攻击，系统的安全密钥的生成效率和最远安全传输距离都得到了很大的提升，使诱骗态方案成为了量子密钥分发协议技术中的重要方法之一。

南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第三章基于添加单光子的相干态光源的诱骗态量子数字签名29表3.2：仿真中用到的的实验参数A0Y0ede14.5%3.0×10-60.51.5%0.2dB/km根据前面的签名率计算模型、SPACS光源结合QDS方案公式的推导以及表3.1中的参数，可以仿真出本方案在每一千米处的签名率图像。这里为了体现出结合SPACS光源的优势，我们仿真了本方案与采用WCS光源的三强度诱骗态BB84方案进行全面的对比，分别如图3.1、图3.2和图3.3所示。图3.1两种不同光源方案的签名率对比图图3.1比较了在不同的传输距离，采用SPACS光源和WCS光源的诱骗态QDS方案的签名率，并且比较了它们选择固定参数和优化了参数后的签名率情况。图中的红色实线和黑色虚线分别表示采用SPACS光源和WCS光源的两种方案参数优化后的结果，紫色虚线和蓝色虚线分别表示两种方案使用固定参数的结果。表3.3和表3.4分别列出了在50千米处，对于采用SPACS光源和WCS光源方案的参数具体取值以及签名率。其中fixedS和optS分别表示采用SPACS光源时固定参数和优化后参数的取值，fixedW和optW分别表示采用WCS光源时固定参数和优化后参数的取值，这里WCS光源方案固定参数的取值与参考文献[25]中的一致。由图3.1可以得出，与采用WCS光源相比，采用SPACS光源的情况在安全传输距离和签名率方面都表现出更好的性能。例如，本方案的最远安全通信距离是201公里，比采用WCS光源的安全通信距离要远30公里。


本文编号：3517480