量子保密查询协议和量子不经意传输协议的理论研究

发布时间：2020-07-19 12:36

【摘要】：随着人类计算能力的飞速提高特别是Shor大数质因子分解、Grover搜索等量子算法的提出,基于计算复杂性理论的现代密码体制的安全性受到威胁。量子密码是密码学和量子力学相结合的产物,其安全性由未知量子态不可克隆定理、Heisenberg测不准原理、测量量子态不可逆塌缩等量子物理原理保证,与敌手的计算能力无关。本文主要侧重于量子密码学的两个分支:量子保密查询协议和量子不经意传输协议的研究。量子保密查询协议是在经典保密查询和量子物理相关内容结合的产物,旨在互不可信的通信双方之间完成数据库数据的查询操作并且保护数据库的安全和用户的隐私。量子不经意传输协议以一种隐匿的方式在秘密信息的持有者和接收者之间传输信息,它是构建其它量子密码协议的基础。本文取得的主要创新性研究成果概括如下:(1)提出了相对论安全的量子保密查询协议,解决了Lo的no-go定理否定不存在无条件安全的单向双方量子通信协议的问题。该协议通过引入相对论中闵可夫斯基因果关系,借助于无通信模型,模型中的每一个参与者都被分割成若干个代理人,由于物理分离和光速的限制,代理人之间在协议的某些阶段不能互相通信。由于没有一个代理人可以在不借助其他代理人的情况下进行欺骗,即使用相对论环境中不可通信的agent避免了否定存在无条件安全的单向双方量子通信协议的Mayers-Lo-Chau no-go定理。(2)利用旋转不变的单光子量子态,解决了长距离传输密钥时因坐标系未对准给量子保密查询产生的传输误差问题。利用光子的自旋角动量和轨道角动量分别携载不同的信息构造一个在联合旋转噪声中不变的单光子量子态克服因坐标系的相对旋转造成的传输误差,从而提高光子的传输效率。在实用性方面,协议具有完全容忍系统损耗的特点。在安全性方面,用户无需信任他的测量装置也能很好的保护隐私。(3)提出基于B92协议的灵活的量子保密查询协议。与基于SARG04的QPQ协议数据库安全性或用户安全性的提高需以牺牲对方安全性为代价实现的不同,实现了数据库安全性与用户隐私双重保护。通过引入纠缠态,所提出的量子保密查询协议可抗信道损失攻击,这同时也降低了经典通信复杂度,协议还具有灵活与抗量子存储攻击的特点。(4)提出了可实时安全检测的量子保密查询协议,解决了以往保密查询协议的安全检测总在欺骗行为发生后进行的问题。通过引入不可信第三方,构造一个可进行实时安全检测的单向双方量子安全计算的框架。为了验证框架的有效性,在该框架下提出了高飞等人协议的改进方案,并分析了协议的安全性,验证了安全检测的实时性。该框架为设计单向双方量子安全计算方案提供了一个新途径。(5)研究量子不经意传输和量子保密查询之间的归约关系。提出安全的量子保密查询协议是构造安全的量子不经意传输协议的必要条件,因此证实了两个协议在量子环境下不是互相等价的。并在此基础上提出了基于量子保密查询协议和明确集区分的量子不经意传输协议。
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O413;TN918
【图文】：

关系图,时空点,关系图,光锥

t 表示闵可夫斯基空间坐标系并将其压缩到二维坐标中进示空间距离，纵轴表示时间间隔，并在坐标系内定义三个时空点 P1 ,1 ， R 1 ,1 ，P 点是分别以Q和R 为时空零点的光锥中属于绝部分的最近的点，处于 t 0时刻后的点无法同时将信号传送到点比特承诺协议中在、和点的无穷相邻处设置代理人，利用为时空零点的光锥的类光区域的特点，以光速完成信息传输。图和点的时空关系，其中浅灰色区域代表以和为时空零点区域代表两个光锥中绝对过去和绝对未来的叠加部分。承诺阶段示阶段分别在和点实现，通信限制在图 2-2 中说明，由于存制使no-go定理失效。受 Kent 的启发并利用 Long 等人提出的块传提出一种理想的基于闵可夫斯基因果关系的相对论 QPQ 协议。

序列,执行流,子集,欺骗行为

图 2-3 协议执行流程图Figure 2-3 Protocol execution flow chart(3) Bob 的代理人0 1B ,B 分别在收到的序列中随机筛选一个子集 01, ,BR n和 11, ,BR n，集合的维度选择以能测试 Alice 是否有欺骗行为为准。0B 和1B 要求处于 Q 和 R 点的0A 和1A 公开对应于子集0 1,B BR R 的测量结果，并检查结果是否相容，相容就继续协议，否则终止协议；(4) 以集合T 表示全部的 n 个发送测量序列，Alice 的代理人0 1A ,A 分别随机筛选一个子集0 0A BI T R和1 1A BI T R，集合的维度选择以能测试 Bob 是否有欺骗行为为准。0A 和1A 要求处于和点的和公开对应于子集0 1,A AI I的i ib ,d 序列，并检查结果是否和来自 Alice 的测量结果相容，相容就继续协议，否则终止协议；

原理图,基本原理,量子态,纠缠量

决坐标轴的偏离的有效方式是利用旋转不变的量子态构造一个可的退相干无关子空间（decoherence-free subspace，DFS），退相干无尔伯特空间中由各分量的联合噪声可以互相抵消的向量构成[93, 94]。自然地想到利用纠缠量子态联合旋转，等价于各自量子态向相反方抵消的特点来构造 DFS，由于制备和探测多量子态容易受噪声的影上存在缺陷，因此，不能用纠缠量子态构造 DFS。到文献[20]的启发，本章提出一种旋转不变的与测量设备无关的 QP只需在传统 MDI-QKD 的实验设备中加入 Q-plate 就可实现耦合单和一阶拉盖尔—高斯模信息的作用。MDI-QKD 原理测量设备无关的 QKD 协议通过由不受信第三方进行的 Bell 态符合量端的侧信道，通信双方只需要关注其量子态制备过程即可，由此测量端侧信道攻击。MDI-QKD 协议的原理图如图 3-1 所示。

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