量子密码协议中信息编码方式研究及应用

发布时间：2017-10-01 20:13

  本文关键词：量子密码协议中信息编码方式研究及应用

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【摘要】：众所周知,绝大部分经典密码系统是基于数学难题设计的,因而其安全性也是建立在敌手解决这些难题时所面临的计算复杂性上的。然而量子计算理论的出现使这些经典密码系统面临非常严重的威胁。于是人们开始寻找新的能够对抗量子计算的密码技术。量子密码就是其中一个重要分支,它是量子技术在密码学中的重要应用。量子密码不仅可以抵抗量子计算的威胁,理论上它还可以实现无条件安全,这是因为其安全性是基于海森堡测不准原理以及量子不可克隆定理等量子力学规律的。如今,量子密码已经引起了学术界的广泛关注。量子密码的无条件安全性一定意义上归功于其不同于经典的信息编码方式。本文主要从量子态编码、幺正操作编码以及其他信量子息编码方式三方面对量子密码协议中的信息编码方式展开研究。分析并总结了以上各种量子信息编码方式的特点及优势,并利用它们解决了多个密码学中的具体问题。在量子态编码方面,我们利用单光子态编码方式设计了首个安全且公平的多方量子密钥协商协议,并证明了它针对外部攻击和参与者攻击的安全性。此外,利用一种特殊的单光子多脉冲量子态,我们设计了一个基于量子密钥分发(Quantum Key Distribution, QKD)的量子保密查询(Quantum Private Query, QPQ)协议,这是首个不存在失败概率和额外数据库信息泄露的该类QPQ协议。最后,我们指出QKD中参与者可以通过选择检测比特位置以控制密钥,并研究了其控制能力与检测比特所占比例之间的关系,该成果可应用于量子安全直接通信等量子密码协议,同时也拓宽了量子态编码方式在密码学中的应用范畴。在幺正操作编码方面,我们通过研究纠缠交换和局域幺正操作的性质,发现了一个针对采用联合检测窃听的量子秘密共享协议的攻击中的错误,并将此攻击策略改进。在此基础上,我们提出了一个采用单光子源和联合检测窃听策略的多方量子密码协议模型,并利用幺正操作区分的相关理论证明了其安全性。最后,利用上述模型,我们设计了一个量子保密比较协议,与之前所有此类协议相比,该协议不仅更加高效,而且更容易实现。在其他量子信息编码方式方面,我们利用选择测量基的信息编码方式设计了一个QKD协议并证明了其安全性。这种特殊的信息编码方式允许一个参与者在只配备无法显示测量结果的量子测量设备时与他人共享安全密钥。此外,我们利用时间编码方式还提出了一种新型的量子位置认证(Quantum Position Verification, QPV)协议——差时QPV (Different Time QPV,DTQPV)。在DTQPV中,验证者利用发送时间进一步加密所传输的信息,使得DTQPV取得了比之前的同时性QPV更高的安全性。引入时间编码的DTQPV在一定意义上突破了针对QPV的no-go定理,这是因为在频率受限的模型下,即使敌手拥有无限的量子存储能力,它仍然是安全的。
【关键词】：量子信息编码 量子密钥分发 量子保密查询 量子位置认证
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN918.1;O413
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第一章 绪论11-19
• 1.1 研究背景和意义11-12
• 1.2 研究现状12-16
• 1.3 论文安排及主要研究成果16-19
• 第二章 基础知识19-27
• 2.1 量子力学基本假设19-23
• 2.1.1 量子态的向量描述19-22
• 2.1.2 量子态的密度算子描述22-23
• 2.2 量子密码学的典型协议23-25
• 2.2.1 BB84协议23-24
• 2.2.2 “Ping-Pong”协议24-25
• 2.3 本章小结25-27
• 第三章 量子态编码的研究与应用27-55
• 3.1 量子态编码27-28
• 3.2 基于单光子的多方量子密钥协商协议28-35
• 3.2.1 关于QKA的讨论29
• 3.2.2 协议过程29-31
• 3.2.3 协议安全性分析31-33
• 3.2.4 对Shi等人多方QKA协议的攻击33-34
• 3.2.5 本节小结34-35
• 3.3 基于单光子多脉冲态的量子保密查询协议35-46
• 3.3.1 预备知识36-38
• 3.3.2 协议过程38-41
• 3.3.3 安全性分析41-46
• 3.3.4 本节小结46
• 3.4 通过选择检测窃听比特来控制密钥46-55
• 3.4.1 基础符号及定义47-48
• 3.4.2 参与者密钥控制能力分析48-52
• 3.4.3 可能的应用52-53
• 3.4.4 本节小结53-55
• 第四章 幺正操作编码的研究与应用55-83
• 4.1 幺正操作编码55-56
• 4.2 对基于联合检测窃听的多方秘密共享的攻击的分析与改进56-66
• 4.2.1 对Lin等人的协议和Gao的攻击策略的回顾57-59
• 4.2.2 对Gao攻击策略的分析及改进59-65
• 4.2.3 本节小结65-66
• 4.3 基于单光子和联合检测窃听的多方量子密码协议66-75
• 4.3.1 对三方QKD协议的分析与改进66-71
• 4.3.2 单光子联合检测多方量子密码协议模型71-74
• 4.3.3 本节小结74-75
• 4.4 基于单光子和联合检测窃听的高效量子保密比较协议75-83
• 4.4.1 协议过程75-79
• 4.4.2 安全性分析79-81
• 4.4.3 本节小结81-83
• 第五章 其他量子信息编码方式的研究及应用83-103
• 5.1 其他量子信息编码方式83-84
• 5.2 利用选择测量基编码的量子密钥分发协议84-94
• 5.2.1 回顾KMR13协议84-85
• 5.2.2 基于KMR13的QKD协议85-87
• 5.2.3 安全性证明87-93
• 5.2.4 本节小结93-94
• 5.3 攻击频率受限模型下的量子位置认证94-103
• 5.3.1 预备知识94-96
• 5.3.2 差时量子位置认证协议96-98
• 5.3.3 协议I在攻击频率受限模型下的安全性98-101
• 5.3.4 本节小结101-103
• 第六章 全文总结与展望103-105
• 参考文献105-117
• 致谢117-119
• 博士在读期间完成的论文119-121
• 博士在读期间参与完成的项目121

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本文编号：955439