【摘要】：量子信息學(xué)是近三十年來興起的一門新型交叉學(xué)科，它的內(nèi)容涉及到計算機科學(xué)、物理學(xué)以及數(shù)學(xué)等多門經(jīng)典學(xué)科。量子信息學(xué)的特點是利用量子力學(xué)的基本原理實現(xiàn)信息編碼、信息處理以及信息傳輸?shù)热蝿?wù)。例如，量子力學(xué)與計算機科學(xué)結(jié)合便產(chǎn)生了量子計算機，量子計算機因其信息處理速度遠遠超過經(jīng)典計算機，對現(xiàn)有的數(shù)學(xué)密碼構(gòu)成了嚴重的威脅。隨著信息技術(shù)的不斷普及，信息安全變得越來越重要，信息安全領(lǐng)域急需一種可以對抗量子計算機的新型密碼，于是，量子密碼由此而產(chǎn)生。 量子密碼是量子安全通信的理論基礎(chǔ)，它的首要特征是具有無條件安全特性。換句話說，即使攻擊者擁有無窮的計算資源，只要她不違背量子力學(xué)，便無法破解量子密碼。與基于計算復(fù)雜度的數(shù)學(xué)密碼相比，量子密碼從物理本質(zhì)上保證了信息安全，具體而言，它的安全建立在量子不可克隆原理與量子測不準原理兩個最基本的量子力學(xué)基本原理之上，從理論上來講，信道中的任何竊聽行為都可以被量子密碼檢測到。到目前為止，量子密碼與量子通信已經(jīng)形成了相對成熟的理論體系。特別是量子密碼，從1984年出現(xiàn)的第一個量子密鑰分配協(xié)議到今天市場上出現(xiàn)的商用量子密鑰分配系統(tǒng)，在不到三十年的時間里，各種新穎的量子密碼理論和實現(xiàn)方案相繼被提出。在可以預(yù)見的未來，以量子密碼為核心的量子安全通信將成為人們?nèi)粘Ｉ畹闹匾M成部分。 到目前為止，量子安全通信領(lǐng)域仍然存在許多理論問題有待于進一步解決。例如，新型量子密碼方案設(shè)計與安全性證明問題、實用的量子密碼網(wǎng)絡(luò)設(shè)計以及實際量子密碼系統(tǒng)的安全問題等。為了進一步推動量子安全通信的理論發(fā)展與實用化進程，本文依托國家自然科學(xué)基金以及國防科技大學(xué)科研計劃項目，從信息對抗的角度對量子安全通信的相關(guān)理論問題展開研究。信息對抗的內(nèi)涵十分廣泛，其中，信息保密與信息竊取是信息對抗的重要研究內(nèi)容，，二者構(gòu)成了“防與攻”兩個對立面。當信息對抗的概念延伸到量子領(lǐng)域，便產(chǎn)生了量子信息對抗。本文以量子密碼以及針對量子密碼的攻擊為主線，重點研究了反事實量子密鑰分配協(xié)議（QKD）設(shè)計與安全證明、基于連續(xù)變量的特殊量子密碼協(xié)議設(shè)計與安全性分析、高效量子網(wǎng)絡(luò)通信方案設(shè)計以及針對實際量子密碼系統(tǒng)的攻擊方案設(shè)計等理論問題。論文的主要研究內(nèi)容包括： （1）反事實量子密鑰分配與量子擲幣 反事實量子密鑰分配（CQKD）是最近出現(xiàn)的新型量子密碼。CQKD協(xié)議的特點是不需要傳輸信號光子，通信雙方便可以建立絕對安全的密鑰。這種違背傳統(tǒng)思維的密鑰分配方式具有直觀意義上的安全，即密鑰信息沒有經(jīng)過信道傳輸。與傳統(tǒng)的QKD協(xié)議相比，CQKD協(xié)議先天具有抵抗光子分裂數(shù)攻擊的安全優(yōu)勢。目前，CQKD的無條件安全性已經(jīng)得到嚴格的數(shù)學(xué)證明，但是，由于已有的證明方案采用的是等效變換法，而該方案還沒有對等效協(xié)議與原協(xié)議的等效性進行嚴格的證明，因此，該方案還有待于進一步完善。本文利用量子信息論的方法，對已有的CQKD協(xié)議進行了嚴格的安全性證明，解決了已有證明方案存在的缺陷。另外，提出了一種反事實量子確定性密鑰分配方案，解決了現(xiàn)有方案只能分配隨機密鑰的問題，新方案的優(yōu)勢在于能夠同時分配隨機密鑰與確定性密鑰。 量子擲幣是量子密碼的研究熱點之一。擲幣是密碼原語之一，擲幣協(xié)議可以在相互隔離且不信任的雙方之間產(chǎn)生一個隨機比特。雖然理論證明顯示，無論是經(jīng)典擲幣協(xié)議還是量子擲幣協(xié)議都不可能無條件安全。但是，與經(jīng)典的擲幣協(xié)議相比，量子擲幣協(xié)議仍然具有先天的安全優(yōu)勢。到目前為止，大部分的量子擲幣協(xié)議是單比特協(xié)議，即只產(chǎn)生一個比特值做為最終的擲幣結(jié)果。然而，單比特量子擲幣協(xié)議的問題在于無法在實際信道中達到應(yīng)有的安全性。本文提出一種新的量子擲幣方案，使得單比特量子擲幣協(xié)議具有噪聲容忍特性，大大提高了單比特量子擲幣協(xié)議的實用性。 （2）基于連續(xù)變量的量子密碼協(xié)議 利用壓縮態(tài)，實現(xiàn)了一個四進制非高斯對稱調(diào)制的量子密鑰分配協(xié)議，與已有的多進制調(diào)制協(xié)議相比，該方案的安全性不會隨著噪聲的增加而出現(xiàn)嚴重衰減的現(xiàn)象，另外，該方案的效率明顯高于二進制調(diào)制協(xié)議。利用壓縮態(tài)，實現(xiàn)了一個同時具有身份認證與密鑰分配功能的復(fù)合量子協(xié)議，該方案的最大特點是量子協(xié)議與量子協(xié)議的復(fù)合，在提高實用性的同時，兼顧了安全性，為量子密碼協(xié)議的實用性研究提供了一種新的思路。 （3）高效量子網(wǎng)絡(luò)通信方案設(shè)計 隨著用戶數(shù)量的增加，量子通信網(wǎng)絡(luò)也會出現(xiàn)效率降低的問題�；诹孔訑�(shù)據(jù)壓縮算法以及Grover搜索算法，設(shè)計了一個高效的量子子網(wǎng)通信方案，該方案的最大特點是首次將量子計算中的加速算法用于量子通信，用于提高量子網(wǎng)絡(luò)通信效率。另外，量子網(wǎng)絡(luò)編碼方案是提高量子通信效率的另一種有效方式，本文對已有的基于自由經(jīng)典通信的量子網(wǎng)絡(luò)編碼方案進行了改進。一般而言，量子通信網(wǎng)絡(luò)中存在大量的糾纏粒子對，利用這些糾纏對可以實施遠程傳態(tài)，因此，糾纏對實際上相當于一條隱形信道，本文設(shè)計的量子網(wǎng)絡(luò)編碼方案適用于任意分布隱形信道的量子通信網(wǎng)絡(luò)，與已有方案相比，更具一般性。最后，基于實際應(yīng)用場景，即秘密會議，設(shè)計了一種具有網(wǎng)絡(luò)拓撲自適應(yīng)特性的量子秘密會議通信方案，該方案由兩個子方案構(gòu)成，能夠應(yīng)用于不同網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的量子通信網(wǎng)絡(luò)中。 （4）實際量子密碼系統(tǒng)安全分析 實際量子密碼系統(tǒng)安全分析是近年來最新出現(xiàn)的量子密碼研究熱點之一，其主要思路是首先尋找實際系統(tǒng)的漏洞，然后基于漏洞設(shè)計巧妙的攻擊方法，并計算該攻擊方法帶來的誤碼率或者實際系統(tǒng)的密鑰泄漏值，最后設(shè)計有效的方法彌補漏洞，從而改進實際量子密碼系統(tǒng)的安全。本文的主要工作有：發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有反事實量子密鑰分配實現(xiàn)系統(tǒng)的一個漏洞，并基于該漏洞設(shè)計了一種特殊的量子特洛伊木馬攻擊方案，由于該攻擊方案是利用量子反事實效應(yīng)實現(xiàn)，因而比傳統(tǒng)的特洛伊木馬攻擊更強，從理論上來講，該方案可以實現(xiàn)在不擾動系統(tǒng)的前提下獲取全部的密鑰信息；另外，利用已經(jīng)報道的雪崩二極管單光子探測器漏洞，設(shè)計了一種針對反事實量子密鑰分配系統(tǒng)的時間變換攻擊，該方案表明，探測器漏洞不僅影響傳統(tǒng)的量子密鑰分配系統(tǒng)安全性，同時也對反事實量子密碼系統(tǒng)造成影響；最后，對最新報道的兩種針對商用量子密鑰分配系統(tǒng)的虛假信號攻擊方案進行了改進，設(shè)計了一種新的虛假信號攻擊方法，該方案利用了雪崩二極管的后脈沖效應(yīng)先驗知識對攻擊所造成的誤碼率進行抑制，分析結(jié)果表明，該方案比現(xiàn)有方案更具隱蔽性和可實施性。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號】：TN918;O413

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