【摘要】：隨著量子信息技術(shù)的迅猛發(fā)展,量子保密通信理論與實(shí)現(xiàn)技術(shù)的卓越研究成果給現(xiàn)有信息科學(xué)的研究帶來了革命性的沖擊,并引起了人們極大的關(guān)注。越來越多的科研人員積極投入到這個新興的科研領(lǐng)域。尤其值得一提的是,信息隱藏也被引入到了這個備受矚目的研究領(lǐng)域。量子信息隱藏以量子態(tài)作為傳輸信息的載體,利用量子信息和量子計算等量子力學(xué)手段來實(shí)現(xiàn)量子或經(jīng)典秘密消息的隱藏／提取和隱蔽傳輸,其隱蔽性和安全性可以由量子力學(xué)基本原理得到保證。量子信息隱藏是信息隱藏與量子信息科學(xué)相結(jié)合的一個嶄新的研究方向,也是信息安全技術(shù)研究中的新亮點(diǎn),具有十分重要的研究價值和廣闊的應(yīng)用前景。 本文借鑒經(jīng)典信息隱藏理論和思想方法的精髓,結(jié)合具有無條件安全性的量子保密通信理論與技術(shù),基于量子力學(xué)的基本原理和特性,使用量子信息科學(xué)手段,研究量子信息隱藏協(xié)議的關(guān)鍵基礎(chǔ)理論及量子隱蔽信道協(xié)議和量子隱寫協(xié)議的分析與設(shè)計。量子隱蔽信道協(xié)議和量子隱寫協(xié)議是量子信息隱藏協(xié)議的兩個重要分支,前者在其他的量子保密通信協(xié)議的通信信道中建立一條隱蔽信道來傳遞秘密消息；后者將秘密消息嵌入到其他看起來不相關(guān)的量子載體中,使之僅能夠被預(yù)期的接收方讀取。本文的具體研究工作如下： (1)研究了量子信息隱藏關(guān)鍵基礎(chǔ)理論方面的一些內(nèi)容,并取得了一些研究成果。首先,提出了量子隱蔽信道的概念,將隱蔽信道正式引入了量子信息領(lǐng)域；并借鑒經(jīng)典信息按照用途分類的思想方法,將量子信息隱藏協(xié)議進(jìn)行了分類。其次,在文中各個量子信息隱藏協(xié)議的性能分析部分研究了信息隱藏的性能評價指標(biāo)在量子信息領(lǐng)域的新內(nèi)涵。特別的,為了準(zhǔn)確反映出量子資源的消耗和嵌入容量之間的關(guān)系,提出了一個定量評價嵌入容量的指標(biāo)——隱蔽通信效率。再次,研究了對量子信息隱藏有著基礎(chǔ)性支撐作用的量子直接通信協(xié)議,基于Grover搜索算法,設(shè)計了一個確定性安全量子通信(DSQC)協(xié)議和一個量子安全直接通信(QSDC)協(xié)議。 (2)分析了可以在QSDC信道中建立隱蔽信道的原因,并設(shè)計了個基于任意QSDC信道的量子隱蔽信道協(xié)議。首先,通過分析酉操作在QSDC協(xié)議中的作用和特性,指出了可以在QSDC信道中建立隱蔽信道的原因。因?yàn)橛喜僮髟赒SDC協(xié)議中不僅具有編碼信息的功能,而且具有獨(dú)立于量子態(tài)的普適性和保密性等特性,所以可以再次利用QSDC信道中使用過的酉操作建立一條只有通信雙方知道的隱蔽信道來傳輸秘密消息。其次,設(shè)計了一個基于任意QSDC協(xié)議的量子隱蔽信道協(xié)議。該協(xié)議和給定的QSDC協(xié)議具有相同的容量,而且具有較好的普適性和較低的計算復(fù)雜度。最后,結(jié)合量子隱形傳態(tài)協(xié)議,提出了一個傳遞量子信息的量子隱蔽信道協(xié)議。(3)借助于量子態(tài)糾纏交換的公式,深入研究了基于量子態(tài)糾纏交換的量子隱蔽信道協(xié)議。一方面,基于廣義Bell態(tài)糾纏交換的輸入態(tài)和輸出態(tài)滿足的關(guān)系式,設(shè)計了一個簡單的秘密消息編碼規(guī)則,并提出了一個不消耗任何輔助粒子的量子隱蔽信道協(xié)議。另一方面,指出了Qu等人提出的基于χ-型態(tài)糾纏交換的量子隱蔽信道協(xié)議存在的缺陷及其原因,并給出了改進(jìn)方案。因?yàn)槿我庖粋�χ-型態(tài)與16個不同的χ-型態(tài)糾纏交換后可能的輸出態(tài)有8組而不是16組不同的結(jié)果,所以難以一次編碼一個4比特的秘密消息。為了解決這一缺陷,根據(jù)χ-型態(tài)糾纏交換的輸入態(tài)和輸出態(tài)滿足的關(guān)系式提出了一個改進(jìn)的量子隱蔽信道協(xié)議。與之前的基于量子態(tài)糾纏交換的隱蔽信道協(xié)議相比,該類協(xié)議不僅計算復(fù)雜度更低,而且不會消耗任何輔助量子態(tài)。 (4)為了進(jìn)一步提高隱蔽通信效率,提出了一類基于多個二粒子正交量子態(tài)直積態(tài)的高效量子隱蔽信道協(xié)議。首先基于兩個Bell態(tài)的直積態(tài),提出了一個具有較低計算復(fù)雜度的秘密消息編碼規(guī)則,并設(shè)計了一個具有普適性的高效量子隱蔽信道協(xié)議。為了進(jìn)一步提高嵌入容量和隱蔽通信效率,將該協(xié)議進(jìn)行了推廣,提出了一類基于多個二粒子正交量子態(tài)直積態(tài)的高效量子隱蔽信道協(xié)議。性能分析表明,該類協(xié)議除了不消耗任何輔助量子態(tài)之外,還具有較好的可擴(kuò)展性和較低的計算復(fù)雜度。當(dāng)QSDC信道初始態(tài)序列中量子態(tài)個數(shù)不是太多時,該類協(xié)議具有較大的嵌入容量和較高的隱蔽通信效率。 (5)指出了一個基于GHZ4態(tài)的量子隱寫協(xié)議(AMH協(xié)議)的編碼規(guī)則存在的缺陷,分析了其原因,并給出了改進(jìn)方案。AMH協(xié)議中給出的8組酉操作只能把GHZ4態(tài)變成6個而不是8個不同的量子態(tài),因而使用其中的任何一組酉操作都無法精確編碼一個3比特的秘密消息。為了解決這一問題,本文給出了可以將GHZ4態(tài)變成8個不同量子態(tài)的8組酉操作,成功實(shí)現(xiàn)每組酉操作編碼一個3比特秘密消息的目的。
[Abstract]:With the rapid development of quantum information technology, the outstanding research results of quantum secure communication theory and implementation technology have brought revolutionary impact to the existing information science research and aroused people's great concern. Quantum information hiding uses quantum states as the carriers of information transmission, uses quantum information and quantum computation to hide, extract and transmit quantum or classical secret messages. Its concealment and security can be obtained from the basic principles of quantum mechanics. Quantum information hiding is a new research direction combining information hiding with quantum information science. It is also a new bright spot in information security technology research. It has very important research value and broad application prospects.
Based on the theory and characteristics of quantum mechanics and the quintessence of classical information hiding theory and thought method, this paper studies the key basic theory of quantum information hiding protocol, quantum covert channel protocol and quantum steganography association by using quantum information science method. Quantum covert channel protocol and quantum steganography protocol are two important branches of quantum information hiding protocol. The former establishes a covert channel to transmit secret messages in the communication channels of other quantum secure communication protocols, and the latter embeds secret messages into other seemingly unrelated quantum carriers. It can only be read by the intended receiver. The specific research work in this paper is as follows:
(1) The key basic theories of quantum information hiding are studied and some achievements are obtained. Firstly, the concept of quantum hidden channel is proposed, which is formally introduced into the field of quantum information. Secondly, the performance analysis part of each quantum information hiding protocol in this paper studies the new connotation of the performance evaluation index in the field of quantum information. In particular, in order to accurately reflect the relationship between the consumption of quantum resources and the embedded capacity, a quantitative evaluation index of the embedded capacity, namely the covert communication efficiency, is proposed. Secondly, the quantum direct communication protocol which is the basic support for quantum information hiding is studied. Based on Grover search algorithm, a deterministic secure quantum communication (DSQC) protocol and a quantum secure direct communication (QSDC) protocol are designed.
(2) This paper analyzes the reasons for establishing covert channel in QSDC channel, and designs a quantum covert channel protocol based on arbitrary QSDC channel. Firstly, by analyzing the role and characteristics of unitary operation in QSDC protocol, it points out the reasons for establishing covert channel in QSDC channel. Because of the function of information and the universality and confidentiality independent of the quantum state, we can use the unitary operation used in the QSDC channel to establish a covert channel that only the two parties know to transmit secret messages. Secondly, we design a quantum covert channel protocol based on arbitrary QSDC protocol. Finally, a quantum covert channel protocol for transmitting quantum information is proposed based on quantum teleportation protocol. (3) With the help of the formula of entanglement swapping of quantum states, quantum covert messages based on entanglement swapping of quantum states are studied in depth. On the one hand, a simple secret message encoding rule is designed based on the relation between input state and output state of generalized Bell state entanglement swapping, and a quantum covert channel protocol without any auxiliary particles is proposed. On the other hand, quantum covert based on_-type entanglement swapping proposed by Qu et al is pointed out. In order to overcome the shortcomings of the channel protocol, an improved scheme is proposed. It is difficult to encode a 4-bit secret message at one time because there are 8 sets of possible outputs of any_-type entanglement switching and 16 different_-type entanglement switching. An improved quantum covert channel protocol is proposed based on the relation between the input state and the output state. Compared with the previous covert channel protocols based on entanglement swapping of quantum states, this kind of protocol not only has lower computational complexity, but also does not consume any auxiliary quantum states.
(4) To further improve the efficiency of covert communication, an efficient quantum covert channel protocol based on the direct product states of two-particle orthogonal quantum states is proposed. Firstly, based on the direct product states of two Bell states, a secret message encoding rule with low computational complexity is proposed, and a universal and efficient quantum covert protocol is designed. In order to further improve the embedded capacity and the efficiency of covert communication, an efficient quantum covert channel protocol based on the direct product states of two-particle orthogonal quantum states is proposed. Low computational complexity. When the number of quantum states in the initial state sequence of QSDC channel is not too large, these protocols have large embedded capacity and high covert communication efficiency.
(5) The defects of a GHZ4-based quantum steganography protocol (AMH protocol) coding rule are pointed out, the reasons are analyzed, and an improved scheme is given. The eight sets of unitary operations given in AMH protocol can only transform GHZ4 states into six rather than eight different quantum states. Therefore, any one of the unitary operations can not accurately encode one. In order to solve this problem, eight sets of unitary operations, which can transform GHZ4 state into eight different quantum states, are presented. Each set of unitary operations can encode a 3-bit secret message successfully.
【學(xué)位授予單位】：北京郵電大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：O413.1;TN918

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