【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(jì)算機(jī)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(diǎn)是利用量子力學(xué)的基本原理實(shí)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(jì)算機(jī)科學(xué)結(jié)合便產(chǎn)生了量子計(jì)算機(jī)，量子計(jì)算機(jī)因其信息處理速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過經(jīng)典計(jì)算機(jī)，對(duì)現(xiàn)有的數(shù)學(xué)密碼構(gòu)成了嚴(yán)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(duì)抗量子計(jì)算機(jī)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(jì)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(jì)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(zhǔn)原理兩個(gè)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(duì)成熟的理論體系。特別是量子密碼，從1984年出現(xiàn)的第一個(gè)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(shí)間里，各種新穎的量子密碼理論和實(shí)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(jìn)一步解決。例如，新型量子密碼方案設(shè)計(jì)與安全性證明問題、實(shí)用的量子密碼網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)以及實(shí)際量子密碼系統(tǒng)的安全問題等。為了進(jìn)一步推動(dòng)量子安全通信的理論發(fā)展與實(shí)用化進(jìn)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(jì)劃項(xiàng)目，從信息對(duì)抗的角度對(duì)量子安全通信的相關(guān)理論問題展開研究。信息對(duì)抗的內(nèi)涵十分廣泛，其中，信息保密與信息竊取是信息對(duì)抗的重要研究內(nèi)容，，二者構(gòu)成了“防與攻”兩個(gè)對(duì)立面。當(dāng)信息對(duì)抗的概念延伸到量子領(lǐng)域，便產(chǎn)生了量子信息對(duì)抗。本文以量子密碼以及針對(duì)量子密碼的攻擊為主線，重點(diǎn)研究了反事實(shí)量子密鑰分配協(xié)議（QKD）設(shè)計(jì)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(jì)與安全性分析、高效量子網(wǎng)絡(luò)通信方案設(shè)計(jì)以及針對(duì)實(shí)際量子密碼系統(tǒng)的攻擊方案設(shè)計(jì)等理論問題。論文的主要研究內(nèi)容包括： （1）反事實(shí)量子密鑰分配與量子擲幣 反事實(shí)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(diǎn)是不需要傳輸信號(hào)光子，通信雙方便可以建立絕對(duì)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(yán)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(duì)等效協(xié)議與原協(xié)議的等效性進(jìn)行嚴(yán)格的證明，因此，該方案還有待于進(jìn)一步完善。本文利用量子信息論的方法，對(duì)已有的CQKD協(xié)議進(jìn)行了嚴(yán)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(shí)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(jī)密鑰的問題，新方案的優(yōu)勢在于能夠同時(shí)分配隨機(jī)密鑰與確定性密鑰。 量子擲幣是量子密碼的研究熱點(diǎn)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(gè)隨機(jī)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(gè)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(shí)際信道中達(dá)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(shí)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(shí)現(xiàn)了一個(gè)四進(jìn)制非高斯對(duì)稱調(diào)制的量子密鑰分配協(xié)議，與已有的多進(jìn)制調(diào)制協(xié)議相比，該方案的安全性不會(huì)隨著噪聲的增加而出現(xiàn)嚴(yán)重衰減的現(xiàn)象，另外，該方案的效率明顯高于二進(jìn)制調(diào)制協(xié)議。利用壓縮態(tài)，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)同時(shí)具有身份認(rèn)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(diǎn)是量子協(xié)議與量子協(xié)議的復(fù)合，在提高實(shí)用性的同時(shí)，兼顧了安全性，為量子密碼協(xié)議的實(shí)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(jì) 隨著用戶數(shù)量的增加，量子通信網(wǎng)絡(luò)也會(huì)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(jì)了一個(gè)高效的量子子網(wǎng)通信方案，該方案的最大特點(diǎn)是首次將量子計(jì)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(duì)已有的基于自由經(jīng)典通信的量子網(wǎng)絡(luò)編碼方案進(jìn)行了改進(jìn)。一般而言，量子通信網(wǎng)絡(luò)中存在大量的糾纏粒子對(duì)，利用這些糾纏對(duì)可以實(shí)施遠(yuǎn)程傳態(tài)，因此，糾纏對(duì)實(shí)際上相當(dāng)于一條隱形信道，本文設(shè)計(jì)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(shí)際應(yīng)用場景，即秘密會(huì)議，設(shè)計(jì)了一種具有網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥赃m應(yīng)特性的量子秘密會(huì)議通信方案，該方案由兩個(gè)子方案構(gòu)成，能夠應(yīng)用于不同網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的量子通信網(wǎng)絡(luò)中。 （4）實(shí)際量子密碼系統(tǒng)安全分析 實(shí)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(diǎn)之一，其主要思路是首先尋找實(shí)際系統(tǒng)的漏洞，然后基于漏洞設(shè)計(jì)巧妙的攻擊方法，并計(jì)算該攻擊方法帶來的誤碼率或者實(shí)際系統(tǒng)的密鑰泄漏值，最后設(shè)計(jì)有效的方法彌補(bǔ)漏洞，從而改進(jìn)實(shí)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(shí)量子密鑰分配實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的一個(gè)漏洞，并基于該漏洞設(shè)計(jì)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(shí)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)，因而比傳統(tǒng)的特洛伊木馬攻擊更強(qiáng)，從理論上來講，該方案可以實(shí)現(xiàn)在不擾動(dòng)系統(tǒng)的前提下獲取全部的密鑰信息；另外，利用已經(jīng)報(bào)道的雪崩二極管單光子探測器漏洞，設(shè)計(jì)了一種針對(duì)反事實(shí)量子密鑰分配系統(tǒng)的時(shí)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(shí)也對(duì)反事實(shí)量子密碼系統(tǒng)造成影響；最后，對(duì)最新報(bào)道的兩種針對(duì)商用量子密鑰分配系統(tǒng)的虛假信號(hào)攻擊方案進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種新的虛假信號(hào)攻擊方法，該方案利用了雪崩二極管的后脈沖效應(yīng)先驗(yàn)知識(shí)對(duì)攻擊所造成的誤碼率進(jìn)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(shí)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(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號(hào)】：TN918;O413

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7 楊e

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