实用化测量设备无关量子密钥分配协议的改进与实现研究
发布时间：2021-08-01 22:31
近几十年来,以量子力学为理论基础的一系列高新技术和产业蓬勃发展。其中,量子计算机的飞速发展极大地威胁了以计算复杂度为基础的传统密码学。值得庆幸的是,利用量子密钥分配（Quantum Key Distribution,QKD）结合一次一密这种加密方法,可以做到无条件安全的通信。自从1984年BB84协议提出以来,经过三十多年的发展,QKD已成为一个多学科交叉融合的研究领域,在未来将会给政务、金融、军事等领域提供最可靠的信息安全保障。QKD理论上的安全性已从多方面被证明,但是在实际应用中,设备的不完美性却是其走向实用化的一个阻力。2012年,多伦多大学的学者提出了测量设备无关的量子密钥分配方案（Measurement Device Independent QKD,MDI-QKD）,该方案可以免疫探测端的侧信道攻击,极大的提升了QKD系统的安全性和实用性。尽管如此,MDI-QKD在性能方面仍然存在较大的提升空间,其源端的安全性值得更深入的研究。本文的研究内容主要是关于实际应用中,MDI-QKD使用不同光源时性能的对比和优化,并针对态制备误差和参考系无关（Reference-Frame-Ind...
【文章来源】：南京邮电大学江苏省
【文章页数】：110 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
Bombe密码破译机
南京邮电大学博士研究生学位论文第一章绪论4图1.2左图：IBM公司发布的第一款商用量子计算机QSystemOne；右图：谷歌53比特量子计算机处理器的设计图以及实物图[7]。量子密钥分配密码体系从安全性角度可以分为“计算安全性”，“可证明安全性”和“无条件安全性”。所谓计算安全性就是如果用最优的算法进行破译需要N步能够实现，如果此时N步所需要的算力远远大于窃听者所拥有的算力，则认为该密码体系为计算安全的。可证明安全是指，如果该密码的破解，等价于求解某数学上的困难问题，那么就认为该密码体系为可证明安全的。最后，无条件安全是指，假设窃听者拥有不受限制的算力的情况下，该密码也不能被破解，那么就称该密码系统是无条件安全的。目前最广泛使用的公钥加密体系，其安全性在于反向求解单向函数的计算安全性。但随着计算机性能的不断提升，一些超级计算机的诞生，这些难题所消耗的时间，也大打折扣。更为致命的是，量子计算机正逐步从构想走向现实，极大的威胁了基于计算安全性的密码系统。早在1917年，Vernam设计了一种私钥加密方式“One-timePad”[9]，又称一次一密。如图1.3所示，明文只需要简单的与密钥进行异或操作就可以得到密文并通过信道发送给接收方，接受方利用事先共享的相同的密钥再次进行异或操作就可以恢复出明文信息了。这种加密方式与计算复杂度等无关，因此可以抵御量子计算机的超强计算能力。香农也从信息论的角度证明了这种方法是无条件安全的，只要满足下列三个条件：（1）密钥与明文等长；（2）密钥为随机数（3）密钥是私密的，且不可重复使用。虽然一次一密被证明是安全的，从本质
南京邮电大学博士研究生学位论文第一章绪论5上来讲，其加密和解密的密钥是相同的，属于对称密码体系的。与普通的对称密码相比，一次一密使用了更多的密钥。如果相隔较近的话，可以通过定期碰面共享密码本之类的操作分享一致的密钥；但如果相隔较远，可能就需要受用户双方信任的人进行密钥的传递和拷贝。因此，这种方式带来了极大使用不便和安全性隐患。密钥的产生和分发等一系列环节的任何纰漏，都会影响其安全性。图1.3一次一密的基本加解密方式示意图中国古代就有“以己之矛，攻己之盾”的故事。量子计算机是根据量子力学基本原理和其特性设计的，研究人员受到量子钞票概念的启发，也类似的利用量子力学中的相关定律，创造性的提出了量子密钥分配（QuantumKeyDistribution，QKD）结合一次一密这种加密方式的思想。一次一密中最主要的问题就是密钥消耗太大，如果能够高效并且安全的分发密钥的话，那么一次一密就能够具备较好的实用价值。而QKD基于量子力学基本原理，为该问题提供了一个理论上完美的解决方案。其安全性由量子力学三大定律（海森堡不确定性原理，测量塌缩理论和量子不可克隆定律[10]）保障，只要量子力学是正确的，QKD就是安全的。一个无条件安全的加密方式和一个安全的密钥分发方式的完美结合，正真做到了无条件安全的通信。与传统的基于计算复杂度的加密方式相比，这种加密方式在原理上就可以做到免疫量子计算机的超强计算能力的破解。在第一个方案提出之后，QKD蓬勃发展，新的协议也被纷纷提出。进入二十一世纪以来，量子密钥分配做到了从理论中走向了实际应用，并在实践中逐步的完善其性能。2003年，美国就已经建成了“DARPA”网络[11]。接着，欧洲的“SECOQC”网络[12]和日本的东京QKD网络[13]也相继建成。在国内，最早
【参考文献】：
期刊论文
[1]Decoy-state measurement-device-independent quantum key distribution with mismatched-basis statistics[J]. ZHANG ChunMei,LI Mo,YIN ZhenQiang,LI HongWei,CHEN Wei,HAN ZhengFu. Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2015(09)
[2]基于指示单光子源的量子密钥分配协议[J]. 朱峰,王琴. 光学学报. 2014(06)
[3]格密码学研究[J]. 王小云,刘明洁. 密码学报. 2014(01)
博士论文
[1]量子密码的实验研究[D]. 莫小范.中国科学技术大学 2006
本文编号：3316361
【文章来源】：南京邮电大学江苏省
【文章页数】：110 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
Bombe密码破译机
南京邮电大学博士研究生学位论文第一章绪论4图1.2左图：IBM公司发布的第一款商用量子计算机QSystemOne；右图：谷歌53比特量子计算机处理器的设计图以及实物图[7]。量子密钥分配密码体系从安全性角度可以分为“计算安全性”，“可证明安全性”和“无条件安全性”。所谓计算安全性就是如果用最优的算法进行破译需要N步能够实现，如果此时N步所需要的算力远远大于窃听者所拥有的算力，则认为该密码体系为计算安全的。可证明安全是指，如果该密码的破解，等价于求解某数学上的困难问题，那么就认为该密码体系为可证明安全的。最后，无条件安全是指，假设窃听者拥有不受限制的算力的情况下，该密码也不能被破解，那么就称该密码系统是无条件安全的。目前最广泛使用的公钥加密体系，其安全性在于反向求解单向函数的计算安全性。但随着计算机性能的不断提升，一些超级计算机的诞生，这些难题所消耗的时间，也大打折扣。更为致命的是，量子计算机正逐步从构想走向现实，极大的威胁了基于计算安全性的密码系统。早在1917年，Vernam设计了一种私钥加密方式“One-timePad”[9]，又称一次一密。如图1.3所示，明文只需要简单的与密钥进行异或操作就可以得到密文并通过信道发送给接收方，接受方利用事先共享的相同的密钥再次进行异或操作就可以恢复出明文信息了。这种加密方式与计算复杂度等无关，因此可以抵御量子计算机的超强计算能力。香农也从信息论的角度证明了这种方法是无条件安全的，只要满足下列三个条件：（1）密钥与明文等长；（2）密钥为随机数（3）密钥是私密的，且不可重复使用。虽然一次一密被证明是安全的，从本质
南京邮电大学博士研究生学位论文第一章绪论5上来讲，其加密和解密的密钥是相同的，属于对称密码体系的。与普通的对称密码相比，一次一密使用了更多的密钥。如果相隔较近的话，可以通过定期碰面共享密码本之类的操作分享一致的密钥；但如果相隔较远，可能就需要受用户双方信任的人进行密钥的传递和拷贝。因此，这种方式带来了极大使用不便和安全性隐患。密钥的产生和分发等一系列环节的任何纰漏，都会影响其安全性。图1.3一次一密的基本加解密方式示意图中国古代就有“以己之矛，攻己之盾”的故事。量子计算机是根据量子力学基本原理和其特性设计的，研究人员受到量子钞票概念的启发，也类似的利用量子力学中的相关定律，创造性的提出了量子密钥分配（QuantumKeyDistribution，QKD）结合一次一密这种加密方式的思想。一次一密中最主要的问题就是密钥消耗太大，如果能够高效并且安全的分发密钥的话，那么一次一密就能够具备较好的实用价值。而QKD基于量子力学基本原理，为该问题提供了一个理论上完美的解决方案。其安全性由量子力学三大定律（海森堡不确定性原理，测量塌缩理论和量子不可克隆定律[10]）保障，只要量子力学是正确的，QKD就是安全的。一个无条件安全的加密方式和一个安全的密钥分发方式的完美结合，正真做到了无条件安全的通信。与传统的基于计算复杂度的加密方式相比，这种加密方式在原理上就可以做到免疫量子计算机的超强计算能力的破解。在第一个方案提出之后，QKD蓬勃发展，新的协议也被纷纷提出。进入二十一世纪以来，量子密钥分配做到了从理论中走向了实际应用，并在实践中逐步的完善其性能。2003年，美国就已经建成了“DARPA”网络[11]。接着，欧洲的“SECOQC”网络[12]和日本的东京QKD网络[13]也相继建成。在国内，最早
【参考文献】：
期刊论文
[1]Decoy-state measurement-device-independent quantum key distribution with mismatched-basis statistics[J]. ZHANG ChunMei,LI Mo,YIN ZhenQiang,LI HongWei,CHEN Wei,HAN ZhengFu. Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2015(09)
[2]基于指示单光子源的量子密钥分配协议[J]. 朱峰,王琴. 光学学报. 2014(06)
[3]格密码学研究[J]. 王小云,刘明洁. 密码学报. 2014(01)
博士论文
[1]量子密码的实验研究[D]. 莫小范.中国科学技术大学 2006
本文编号：3316361
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