基于Bell态的量子安全通信协议的研究

发布时间：2020-06-25 15:10

【摘要】：近年来,随着信息技术的飞速发展,信息安全的重要性日趋明显。与经典通信相比,量子通信具有传输的高效性,无条件安全性的特点。量子密钥分发和量子安全直接通信是量子通信的两种主要形式,量子密钥分发协议目的是产生一组安全的密钥序列,其并没有传输机密信息,而量子安全直接通信直接传输机密消息,所以安全性要求比较高。经过研究发现,量子密钥分发协议产生的密钥序列可作为控制码序列,可以用于量子安全直接通信中,能够提高方案的安全性,所以产生一个安全的密钥序列是必要的。本文在分析经典密钥协议的基础上提出了一种安全的控制码产生方案,再利用控制码的思想提出了一种混合粒子的量子安全直接通信方案。本文具体的研究内容如下:(1)为了产生安全的控制码序列,提出了基于身份认证的控制码产生方案。方案首先采用混沌加密技术对BB84协议产生的密钥序列进行加密;其次,利用混沌系统的特点进行通信双方的双向身份认证;最后使用改进的BB84协议传送加密后的信息序列,产生一串安全的控制码序列。通过对方案进行安全性分析和仿真模拟,结果表明方案的安全性和可行性。(2)针对信息泄露问题,提出了基于控制码的混合粒子量子安全通信方案。方案利用幺正变换和控制码保证方案的安全性,控制码可以控制量子态的制备,幺正变换可以编码有用信息。通过分析方案的安全性、传输效率和MATLAB模拟仿真。结果表明,方案有效地改善了信息泄露问题,同时方案的传输效率和编码容量都比较高,与几种主要的协议相比有一定的优势。
【学位授予单位】：沈阳工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O413;TN918
【图文】：

身份验证,模拟仿真

.5 与其他方案的对比分析BB84 协议、B92 协议和 E91 协议是三个比较经典的量子密钥分发协议。BB84采用四种单光子传输信息，发送方 Alice 根据二进制序列制备光子序列，而接收方b 收到光子序列后，则是随机地选择测量基进行测量，这样使得正确率大大降低，效率接近 50%；B92 协议采用了一对相互不正交的量子态，减少了量子态的使用，同样，该协议也存在 BB84 协议中的问题，Bob 收到光子序列后也是随机地选择基进行测量，并且准确率更低，传输效率也只是 BB84 协议的一半；E91 协议采用ll 态粒子作为传输消息的载体，该协议可以根据 Bell 态粒子之间的关联性来窃听检ve 的存在，采用的编码方法和 BB84 协议一样，传输效率相差不多，但其要求信道差错传输的量子信道。与这三种经典的协议相比，本方案传输效率有所提高，同以抵抗中间人的攻击。.6 MATLAB 模拟仿真过程根据流程图，通信双方首先进行的是身份验证，这个阶段的模拟过程如图 3.6 所

信息序列,量子态,信息加密,混沌加密

图 3.7 量子态制备模拟仿真Fig.3.7 Simulation of quantum state preparation图 3.7 中，信息传输阶段首先是信息的加密，信息加密采用的是混沌加密，点击“”按钮即可获得经过加密处理后的两个序列 L1信息序列和 L2信息序列，将 L1信列作为 Alice 和 Bob 之间共享的序列，点击“共享”按钮即可在 Alice 和 Bob 之间 L1信息序列，将 L1信息序列与 L2信息序列结合来制备量子态；其次是信息传送过程，Alice 根据 L1序列和 L2信息序列制备量子态，标号为线图分别表示制备的八个量子态，依次是| L |V | H | R lice 将制备好的量子态发送给 Bob。Bob 选择窃听检测的量子态，位置为 3，5，7根据共享序列选择相对应的测量基进行测量，把测量结果发送给 Alice，Alice 进果比较，得出错误率，若不存在窃听，则 Bob 对剩下的量子态进行测量，根据测果得到 Alice 传输的信息序列；最后，利用混沌映射产生的序列进行解密得到原始未加密的信息序列。图 3.8 中，测量选用的测量基分别为 Z 基、X 基、Z 基，曲线 3、5、7 表示在相

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