【摘要】：自20世紀(jì)初正式確立以來,量子力學(xué)深刻地影響著科學(xué)技術(shù)發(fā)展,推動(dòng)著人類社會(huì)進(jìn)步。在1985年,Deutsch利用量子相干性設(shè)計(jì)出的量子算法顯示出量子計(jì)算相比經(jīng)典計(jì)算在計(jì)算效率方面的優(yōu)勢。隨后Shor提出的量子算法更是指數(shù)式提高了大數(shù)因子分解的速度,從而威脅到我們現(xiàn)行的基于復(fù)雜數(shù)學(xué)問題計(jì)算復(fù)雜度的經(jīng)典密碼體系(如RSA,DES和AES等)安全。以量子密鑰分配(Quantum Key Distribution)為代表的量子密碼協(xié)議應(yīng)運(yùn)而生,其安全性基于量子力學(xué)基本原理,結(jié)合一次一密的加密方式,量子密鑰分配可以保證信息論意義上的絕對(duì)安全通信,不再受量子計(jì)算的威脅。從1984年Bennett和Brassard提出BB84協(xié)議以來,量子密鑰分配已經(jīng)成為量子信息領(lǐng)域最接近實(shí)用化的研究方向。密碼學(xué)中除了密鑰分配之外,還有其他更加復(fù)雜和具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的任務(wù)。例如數(shù)字簽名,身份認(rèn)證等。這些密碼學(xué)任務(wù)對(duì)應(yīng)的經(jīng)典密碼協(xié)議也面臨著量子計(jì)算的威脅�；诹孔恿W(xué)也可以構(gòu)造出相應(yīng)的量子密碼協(xié)議。量子密碼協(xié)議這一概念的涵義更加廣泛,其包括但不局限于量子密鑰分配協(xié)議。其他的例如量子數(shù)字簽名,量子身份認(rèn)證協(xié)議等,這些量子協(xié)議也是基于量子力學(xué)基本原理,并且同樣可以解決量子計(jì)算出現(xiàn)后其對(duì)應(yīng)經(jīng)典密碼協(xié)議完全不安全的問題。其中,量子數(shù)字簽名協(xié)議可基于量子密鑰分配,在密鑰分發(fā)階段的過程與量子密鑰分配完全相同。因此在量子密碼分配走向?qū)嵱没慕裉?量子數(shù)字簽名協(xié)議有望成為下一個(gè)實(shí)用化的量子密碼協(xié)議;身份認(rèn)證在許多領(lǐng)域中有著重要應(yīng)用,而量子身份認(rèn)證利用量子力學(xué)的不可克隆定律,可以保證身份憑證的唯一性,從而進(jìn)一步加強(qiáng)其安全性。這種憑證唯一性是量子力學(xué)提供的獨(dú)特性質(zhì),經(jīng)典方法無法做到。借鑒于量子密鑰分配協(xié)議,量子隨機(jī)數(shù)是量子信息提供的另一重要的研究領(lǐng)域。理論上說,量子密鑰分配協(xié)議是一種遠(yuǎn)程產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)的方案,而量子隨機(jī)數(shù)只要求在本地進(jìn)行隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生。量子隨機(jī)數(shù)的隨機(jī)性來源于量子力學(xué)中的測量塌縮假設(shè),可以認(rèn)為其為真隨機(jī)。一些量子隨機(jī)數(shù)協(xié)議在對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備做極少假設(shè)的條件下,可以產(chǎn)生高安全性的隨機(jī)數(shù)。在產(chǎn)生速率方面,特定量子隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生方案也可與經(jīng)典隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器相比擬。量子隨機(jī)數(shù)可以為博彩、保密通信設(shè)備、數(shù)值模擬等方面提供高質(zhì)量、高速率和真安全的隨機(jī)數(shù)。以上介紹的量子密碼協(xié)議、量子隨機(jī)數(shù)協(xié)議都為在量子計(jì)算時(shí)代下的信息安全提供解決方案和重要幫助。對(duì)于量子密碼協(xié)議的研究不僅能保障信息安全,也有助于加深對(duì)于量子力學(xué)的理解和研究,因此具有重要意義。本文圍繞量子密碼這一主題,總結(jié)了本人在量子密碼協(xié)議和實(shí)驗(yàn)方面的研究成果,主要包括以下幾項(xiàng)內(nèi)容:1.半設(shè)備無關(guān)量子隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器實(shí)驗(yàn)。實(shí)用化的量子隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器往往要求裝置被使用者完全信任和了解,這在實(shí)際應(yīng)用中往往很難做到。半設(shè)備無關(guān)量子隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生協(xié)議只需對(duì)設(shè)備進(jìn)行簡單的假設(shè),就可以做到真隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生�；陧n云光等人的方案,我們實(shí)現(xiàn)了半設(shè)備無關(guān)量子隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生裝置,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該裝置在高噪聲和高丟失情況下的高效率真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生。比起之前的方案,隨機(jī)數(shù)效率提升一倍。2.三方半設(shè)備無關(guān)量子隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器實(shí)驗(yàn)。在之前的量子隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生裝置中,只有制備方和測量方。基于弱測量技術(shù)和維度目擊雙違反,我們首次在協(xié)議和實(shí)驗(yàn)層面將隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生的參與者提升至三方。該實(shí)驗(yàn)為網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生提供了解決方案。作為一種隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生資源,其可能在量子密碼學(xué)等領(lǐng)域有重要應(yīng)用。3.基于吉赫茲BB84量子密鑰分配系統(tǒng)的實(shí)用量子數(shù)字簽名實(shí)驗(yàn)。以基于法拉第-薩格納克-邁克爾遜干涉儀的相位編碼量子密鑰分配系統(tǒng)為基礎(chǔ),完成了實(shí)用量子數(shù)字簽名實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)裝置重復(fù)頻率達(dá)到吉赫茲,相比之前的量子數(shù)字簽名實(shí)驗(yàn),該裝置在實(shí)際安全性,簽名速率和系統(tǒng)魯棒性之間提供了相對(duì)平衡的解決方案。4.基于量子導(dǎo)引的量子身份認(rèn)證協(xié)議理論。量子導(dǎo)引是與量子糾纏,貝爾非局域性處于同等地位的量子力學(xué)基本性質(zhì)。我們利用量子導(dǎo)引獨(dú)特的非對(duì)稱性,通過認(rèn)證雙方分發(fā)糾纏粒子的方法,構(gòu)造出一種新的身份認(rèn)證協(xié)議。與之前協(xié)議相比,這個(gè)協(xié)議不要求完全無差錯(cuò)和無丟失的信道。由于量子導(dǎo)引具有單配性,協(xié)議中的身份憑證具有唯一性,因此提高了整個(gè)系統(tǒng)的安全性。
【圖文】：

第１章緒邋論逡逑替換將明文轉(zhuǎn)為陰符的長短，即密文。軍情與陰符長短的對(duì)應(yīng)關(guān)系即為密鑰。逡逑由此我們可以總結(jié)出一般密碼系統(tǒng)的運(yùn)行過程，如圖１．１所示。通信雙方通逡逑過實(shí)現(xiàn)約定的密鑰，先由發(fā)送方將明文加密為密文，密文通過不可信信道進(jìn)行逡逑傳遞。接收方利用密鑰將密文解密為明文，完成整個(gè)通信過程。不同的密碼系逡逑統(tǒng)，無非是密鑰的形式和加密方法的不同，整個(gè)過程仍然跳不出圖１．１所示的過逡逑程。而以上兩個(gè)古希臘和中國周代的具體例子其實(shí)代表了早期密碼學(xué)的兩個(gè)大逡逑類，即“置換密碼”和“代換密碼”。置換密碼是指將明文的位置根據(jù)雙方事先逡逑約定的規(guī)則進(jìn)行打亂，接收方再根據(jù)規(guī)則反向調(diào)換位置將密文恢復(fù)。而代換密碼逡逑是指雙方將明文字符代換為事先約定的密文字符。接收方將密文字符再代換解逡逑密為明文字符。其實(shí)，從以上兩個(gè)例子一直到二次大戰(zhàn)末期，密碼學(xué)的主要基本逡逑方法就是以上兩種方式。期間出現(xiàn)過各種各樣的密碼，例如凱撒密碼，維吉尼亞逡逑密碼

它與＜／＞（？）互素并且可利用輾轉(zhuǎn)相除法得到心可滿足以三ｌ（ｒｍｘｉ＜／？（ｎ））。逡逑整數(shù)對(duì)（ｅ，ｎ）是公鑰，可以對(duì)任何人進(jìn)行公開；《；０可以作為私鑰，只能被逡逑圖１．１中的Ｂ方所擁有。在后續(xù)加解密過程中，知道公鑰即可對(duì)信息進(jìn)行加密，而邐＞逡逑必須知道私鑰才能得到加密前的明文。對(duì)于竊聽者來說，在只能得到公鑰的條逡逑件下去計(jì)算私鑰，這個(gè)過程等價(jià)為知道兩個(gè)素?cái)?shù)之積ｎ，對(duì)其進(jìn)行質(zhì)因數(shù)分解這逡逑一數(shù)學(xué)問題。這一數(shù)學(xué)問題的計(jì)算復(fù)雜度十分巨大，在ｎ足夠大的條件下，，以逡逑目前的最好的數(shù)學(xué)方法和經(jīng)典計(jì)算機(jī)來進(jìn)行計(jì)算，所需耗費(fèi)的時(shí)間也可達(dá)幾百逡逑至上億年。因此我們認(rèn)為“ＲＳＡ”密碼是具有計(jì)算安全性的。我們?cè)倩剡^頭來看逡逑“ＲＳＡ”密碼系統(tǒng)的加解密過程，可以發(fā)現(xiàn)它不再需要保密通信的雙方事先有任逡逑何的接觸和溝通來建立密鑰。只要一方將自己的公鑰向整個(gè)網(wǎng)絡(luò)空間進(jìn)行廣播，逡逑在保證私鑰安全的情況下，任何人都可以與他進(jìn)行保密通信，而不被其他人竊逡逑聽。這一特點(diǎn)使得公共網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下保密通信更加方便快捷
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O413;TN918

【參考文獻(xiàn)】

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1 王天銀;溫巧燕;朱甫臣;;Secure authentication of classical messages with single photons[J];Chinese Physics B;2009年08期

本文編號(hào)：2618509