【摘要】：隨著人類計算能力的飛速提高特別是Shor大數(shù)質(zhì)因子分解、Grover搜索等量子算法的提出,基于計算復(fù)雜性理論的現(xiàn)代密碼體制的安全性受到威脅。量子密碼是密碼學(xué)和量子力學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物,其安全性由未知量子態(tài)不可克隆定理、Heisenberg測不準(zhǔn)原理、測量量子態(tài)不可逆塌縮等量子物理原理保證,與敵手的計算能力無關(guān)。本文主要側(cè)重于量子密碼學(xué)的兩個分支:量子保密查詢協(xié)議和量子不經(jīng)意傳輸協(xié)議的研究。量子保密查詢協(xié)議是在經(jīng)典保密查詢和量子物理相關(guān)內(nèi)容結(jié)合的產(chǎn)物,旨在互不可信的通信雙方之間完成數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的查詢操作并且保護(hù)數(shù)據(jù)庫的安全和用戶的隱私。量子不經(jīng)意傳輸協(xié)議以一種隱匿的方式在秘密信息的持有者和接收者之間傳輸信息,它是構(gòu)建其它量子密碼協(xié)議的基礎(chǔ)。本文取得的主要創(chuàng)新性研究成果概括如下:(1)提出了相對論安全的量子保密查詢協(xié)議,解決了Lo的no-go定理否定不存在無條件安全的單向雙方量子通信協(xié)議的問題。該協(xié)議通過引入相對論中閔可夫斯基因果關(guān)系,借助于無通信模型,模型中的每一個參與者都被分割成若干個代理人,由于物理分離和光速的限制,代理人之間在協(xié)議的某些階段不能互相通信。由于沒有一個代理人可以在不借助其他代理人的情況下進(jìn)行欺騙,即使用相對論環(huán)境中不可通信的agent避免了否定存在無條件安全的單向雙方量子通信協(xié)議的Mayers-Lo-Chau no-go定理。(2)利用旋轉(zhuǎn)不變的單光子量子態(tài),解決了長距離傳輸密鑰時因坐標(biāo)系未對準(zhǔn)給量子保密查詢產(chǎn)生的傳輸誤差問題。利用光子的自旋角動量和軌道角動量分別攜載不同的信息構(gòu)造一個在聯(lián)合旋轉(zhuǎn)噪聲中不變的單光子量子態(tài)克服因坐標(biāo)系的相對旋轉(zhuǎn)造成的傳輸誤差,從而提高光子的傳輸效率。在實用性方面,協(xié)議具有完全容忍系統(tǒng)損耗的特點(diǎn)。在安全性方面,用戶無需信任他的測量裝置也能很好的保護(hù)隱私。(3)提出基于B92協(xié)議的靈活的量子保密查詢協(xié)議。與基于SARG04的QPQ協(xié)議數(shù)據(jù)庫安全性或用戶安全性的提高需以犧牲對方安全性為代價實現(xiàn)的不同,實現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫安全性與用戶隱私雙重保護(hù)。通過引入糾纏態(tài),所提出的量子保密查詢協(xié)議可抗信道損失攻擊,這同時也降低了經(jīng)典通信復(fù)雜度,協(xié)議還具有靈活與抗量子存儲攻擊的特點(diǎn)。(4)提出了可實時安全檢測的量子保密查詢協(xié)議,解決了以往保密查詢協(xié)議的安全檢測總在欺騙行為發(fā)生后進(jìn)行的問題。通過引入不可信第三方,構(gòu)造一個可進(jìn)行實時安全檢測的單向雙方量子安全計算的框架。為了驗證框架的有效性,在該框架下提出了高飛等人協(xié)議的改進(jìn)方案,并分析了協(xié)議的安全性,驗證了安全檢測的實時性。該框架為設(shè)計單向雙方量子安全計算方案提供了一個新途徑。(5)研究量子不經(jīng)意傳輸和量子保密查詢之間的歸約關(guān)系。提出安全的量子保密查詢協(xié)議是構(gòu)造安全的量子不經(jīng)意傳輸協(xié)議的必要條件,因此證實了兩個協(xié)議在量子環(huán)境下不是互相等價的。并在此基礎(chǔ)上提出了基于量子保密查詢協(xié)議和明確集區(qū)分的量子不經(jīng)意傳輸協(xié)議。
【學(xué)位授予單位】：北京工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O413;TN918
【圖文】：

t 表示閔可夫斯基空間坐標(biāo)系并將其壓縮到二維坐標(biāo)中進(jìn)示空間距離，縱軸表示時間間隔，并在坐標(biāo)系內(nèi)定義三個時空點(diǎn) P1 ,1 ， R 1 ,1 ，P 點(diǎn)是分別以Q和R 為時空零點(diǎn)的光錐中屬于絕部分的最近的點(diǎn)，處于 t 0時刻后的點(diǎn)無法同時將信號傳送到點(diǎn)比特承諾協(xié)議中在 、 和 點(diǎn)的無窮相鄰處設(shè)置代理人，利用為時空零點(diǎn)的光錐的類光區(qū)域的特點(diǎn)，以光速完成信息傳輸。圖 和 點(diǎn)的時空關(guān)系，其中淺灰色區(qū)域代表以 和 為時空零點(diǎn)區(qū)域代表兩個光錐中絕對過去和絕對未來的疊加部分。承諾階段示階段分別在 和 點(diǎn)實現(xiàn)，通信限制在圖 2-2 中說明，由于存制使no-go定理失效。受 Kent 的啟發(fā)并利用 Long 等人提出的塊傳提出一種理想的基于閔可夫斯基因果關(guān)系的相對論 QPQ 協(xié)議。

圖 2-3 協(xié)議執(zhí)行流程圖Figure 2-3 Protocol execution flow chart(3) Bob 的代理人0 1B ,B 分別在收到的序列中隨機(jī)篩選一個子集 01, ,BR n和 11, ,BR n，集合的維度選擇以能測試 Alice 是否有欺騙行為為準(zhǔn)。0B 和1B 要求處于 Q 和 R 點(diǎn)的0A 和1A 公開對應(yīng)于子集0 1,B BR R 的測量結(jié)果，并檢查結(jié)果是否相容，相容就繼續(xù)協(xié)議，否則終止協(xié)議；(4) 以集合T 表示全部的 n 個發(fā)送測量序列，Alice 的代理人0 1A ,A 分別隨機(jī)篩選一個子集0 0A BI T R和1 1A BI T R，集合的維度選擇以能測試 Bob 是否有欺騙行為為準(zhǔn)。0A 和1A 要求處于 和 點(diǎn)的 和 公開對應(yīng)于子集0 1,A AI I的i ib ,d 序列，并檢查結(jié)果是否和來自 Alice 的測量結(jié)果相容，相容就繼續(xù)協(xié)議，否則終止協(xié)議；

決坐標(biāo)軸的偏離的有效方式是利用旋轉(zhuǎn)不變的量子態(tài)構(gòu)造一個可的退相干無關(guān)子空間（decoherence-free subspace，DFS），退相干無爾伯特空間中由各分量的聯(lián)合噪聲可以互相抵消的向量構(gòu)成[93, 94]。自然地想到利用糾纏量子態(tài)聯(lián)合旋轉(zhuǎn)，等價于各自量子態(tài)向相反方抵消的特點(diǎn)來構(gòu)造 DFS，由于制備和探測多量子態(tài)容易受噪聲的影上存在缺陷，因此，不能用糾纏量子態(tài)構(gòu)造 DFS。到文獻(xiàn)[20]的啟發(fā)，本章提出一種旋轉(zhuǎn)不變的與測量設(shè)備無關(guān)的 QP只需在傳統(tǒng) MDI-QKD 的實驗設(shè)備中加入 Q-plate 就可實現(xiàn)耦合單和一階拉蓋爾—高斯模信息的作用。MDI-QKD 原理測量設(shè)備無關(guān)的 QKD 協(xié)議通過由不受信第三方進(jìn)行的 Bell 態(tài)符合量端的側(cè)信道，通信雙方只需要關(guān)注其量子態(tài)制備過程即可，由此測量端側(cè)信道攻擊。MDI-QKD 協(xié)議的原理圖如圖 3-1 所示。

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本文編號：2762431