本文關(guān)鍵詞：量子通信若干理論研究

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【摘要】：隨著量子力學(xué)的深入發(fā)展,在二十世紀(jì)八十年代產(chǎn)生了一門新興的交叉學(xué)科——量子信息學(xué),它是量子理論與經(jīng)典信息論相結(jié)合的產(chǎn)物。態(tài)疊加原理和不確定性關(guān)系是量子力學(xué)的基本公設(shè),也是量子信息學(xué)的重要資源和安全基石。量子信息學(xué)主要包括量子計算與量子通信。量子計算是當(dāng)前的研究熱點(diǎn),它利用量子態(tài)相干疊加原理可以實(shí)現(xiàn)指數(shù)級增長的計算能力。利用不確定性關(guān)系可以確保量子態(tài)在執(zhí)行量子通信的任務(wù)時能夠抵御攻擊者的各種干擾,從而以量子的方式實(shí)現(xiàn)了無條件安全的通信任務(wù)。多粒子的量子態(tài)疊加形成的量子糾纏是量子計算與量子通信重要且不可缺少的資源。量子糾纏被愛因斯坦稱為鬼魅般的超距作用,基于量子糾纏的貝爾不等式是檢驗(yàn)量子力學(xué)是否完備的最重要基礎(chǔ)理論。從量子糾纏擴(kuò)展開來的各種量子關(guān)聯(lián)(量子引導(dǎo)關(guān)聯(lián)quantum steering、量子失協(xié)quantum discord)是量子力學(xué)的基本物理理論與性質(zhì),他們將分別在不同的量子任務(wù)中起到核心的作用。1964年,從Bell推導(dǎo)出第一個不等式,把關(guān)于量子力學(xué)完備性的爭論從抽象理論詮釋變?yōu)閷?shí)際的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)開始,各種各樣形式的貝爾不等式層出不窮地出現(xiàn),其中包括離散變量類型、連續(xù)變量類型、熵類型等。從1982年Aspect完成第一個貝爾不等式的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)至今,已經(jīng)有上百個實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)各種各樣的不等式,但是源于這些實(shí)驗(yàn)很難將效率漏洞、局域漏洞和隨機(jī)漏洞同時關(guān)閉,直到2015年初都沒有一個實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛎鞔_肯定量子力學(xué)表述是完備的�；谟嬎銖�(fù)雜度的經(jīng)典通信任務(wù)即加解密(密鑰分發(fā))、數(shù)字簽名、秘密共享、密碼會議(多方加解密)等在后量子時代面臨著重大的安全挑戰(zhàn)。于是,基于量子力學(xué)基本原理的各種量子通信任務(wù)應(yīng)運(yùn)而生,但是到目前為止只有加解密的量子版本——量子密鑰分發(fā)進(jìn)入了實(shí)際應(yīng)用的階段,其他通信任務(wù)都還僅限于一些理論方案和原理型演示實(shí)驗(yàn),其主要原因在于,量子密鑰分發(fā)屬于兩個參與方的通信任務(wù),較為簡單,然而量子數(shù)字簽名、量子秘密共享、量子密碼會議等屬于多個參與方的多方量子通信任務(wù)。在經(jīng)典密碼學(xué)通信任務(wù)中,加解密、數(shù)字簽名和秘密共享這三類是最基本和應(yīng)用最廣泛的任務(wù),因此,發(fā)展像量子密鑰分發(fā)一樣具有實(shí)用化前景的量子數(shù)字簽名和量子秘密共享協(xié)議成為了量子通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。本論文作者在博士期間的主要工作包括無漏洞的量子力學(xué)基本問題檢驗(yàn)理論、具有實(shí)用化前景的量子秘密共享理論、具有實(shí)用化前景的量子密碼會議理論以及具有實(shí)用化前景的量子數(shù)字簽名理論等。在量子力學(xué)基本問題檢驗(yàn)方面,我們提出了一個基于熵的貝爾不等式,利用雙模壓縮真空態(tài)形成的連續(xù)變量系統(tǒng)作為糾纏源,結(jié)合粗�；夹g(shù)檢驗(yàn)局域?qū)嵲谡摗＿B續(xù)變量糾纏源系統(tǒng)可以較為容易地關(guān)閉局域漏洞,同時,我們采用探測效率接近100%的零拍差分探測系統(tǒng)有望關(guān)閉效率漏洞,從而在當(dāng)前技術(shù)條件下使一個無漏洞的熵貝爾不等式實(shí)驗(yàn)成為可能。在實(shí)用化量子秘密共享和量子密碼會議理論方面,我們提出使用后選擇GHZ糾纏態(tài)結(jié)合誘騙態(tài)的方案,利用簡單量子態(tài)制備和投影符合測量實(shí)現(xiàn)了百公里量級的量子秘密共享和量子密碼會議的理論方案。我們克服了以前理論方案的苛刻條件,即需要制備高度糾纏的多粒子GHZ糾纏態(tài)同時進(jìn)行遠(yuǎn)距離的高保真糾纏分發(fā)。我們利用糾纏純化思想結(jié)合量子糾錯碼技術(shù)證明了該理論方案的無條件安全性,并得到了現(xiàn)實(shí)條件下隨距離變化的安全秘密共享和安全密碼會議的成碼率。在該協(xié)議中,我們使用糾纏交換思想實(shí)現(xiàn)了抵御針對探測器方面的所有攻擊,實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)實(shí)條件下的高安全性方案。在實(shí)用化量子數(shù)字簽名理論方面,我們提出使用非正交態(tài)編碼的四態(tài)和六態(tài)的量子數(shù)字簽名協(xié)議首次成功實(shí)現(xiàn)了在不安全量子信道中實(shí)現(xiàn)安全的數(shù)字簽名。利用誘騙態(tài)理論,泊松分布的激光源作為量子態(tài)同樣可以實(shí)現(xiàn)安全的量子數(shù)字簽名。利用多份復(fù)制非正交編碼量子態(tài)的糾纏純化思想和量子糾錯碼技術(shù)證明了該協(xié)議可以抵御不安全量子信道中的偽造攻擊。我們通過隨機(jī)選樣公開比對技術(shù)結(jié)合統(tǒng)計漲落分析方法,證明了該協(xié)議可以抵御抵賴攻擊。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：O413;TN918

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