本文關(guān)鍵詞：量子密碼協(xié)議中信息編碼方式研究及應(yīng)用

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【摘要】：眾所周知,絕大部分經(jīng)典密碼系統(tǒng)是基于數(shù)學(xué)難題設(shè)計(jì)的,因而其安全性也是建立在敵手解決這些難題時(shí)所面臨的計(jì)算復(fù)雜性上的。然而量子計(jì)算理論的出現(xiàn)使這些經(jīng)典密碼系統(tǒng)面臨非常嚴(yán)重的威脅。于是人們開始尋找新的能夠?qū)沽孔佑?jì)算的密碼技術(shù)。量子密碼就是其中一個(gè)重要分支,它是量子技術(shù)在密碼學(xué)中的重要應(yīng)用。量子密碼不僅可以抵抗量子計(jì)算的威脅,理論上它還可以實(shí)現(xiàn)無(wú)條件安全,這是因?yàn)槠浒踩允腔诤Ｉy(cè)不準(zhǔn)原理以及量子不可克隆定理等量子力學(xué)規(guī)律的。如今,量子密碼已經(jīng)引起了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。量子密碼的無(wú)條件安全性一定意義上歸功于其不同于經(jīng)典的信息編碼方式。本文主要從量子態(tài)編碼、幺正操作編碼以及其他信量子息編碼方式三方面對(duì)量子密碼協(xié)議中的信息編碼方式展開研究。分析并總結(jié)了以上各種量子信息編碼方式的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì),并利用它們解決了多個(gè)密碼學(xué)中的具體問題。在量子態(tài)編碼方面,我們利用單光子態(tài)編碼方式設(shè)計(jì)了首個(gè)安全且公平的多方量子密鑰協(xié)商協(xié)議,并證明了它針對(duì)外部攻擊和參與者攻擊的安全性。此外,利用一種特殊的單光子多脈沖量子態(tài),我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)基于量子密鑰分發(fā)(Quantum Key Distribution, QKD)的量子保密查詢(Quantum Private Query, QPQ)協(xié)議,這是首個(gè)不存在失敗概率和額外數(shù)據(jù)庫(kù)信息泄露的該類QPQ協(xié)議。最后,我們指出QKD中參與者可以通過(guò)選擇檢測(cè)比特位置以控制密鑰,并研究了其控制能力與檢測(cè)比特所占比例之間的關(guān)系,該成果可應(yīng)用于量子安全直接通信等量子密碼協(xié)議,同時(shí)也拓寬了量子態(tài)編碼方式在密碼學(xué)中的應(yīng)用范疇。在幺正操作編碼方面,我們通過(guò)研究糾纏交換和局域幺正操作的性質(zhì),發(fā)現(xiàn)了一個(gè)針對(duì)采用聯(lián)合檢測(cè)竊聽的量子秘密共享協(xié)議的攻擊中的錯(cuò)誤,并將此攻擊策略改進(jìn)。在此基礎(chǔ)上,我們提出了一個(gè)采用單光子源和聯(lián)合檢測(cè)竊聽策略的多方量子密碼協(xié)議模型,并利用幺正操作區(qū)分的相關(guān)理論證明了其安全性。最后,利用上述模型,我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)量子保密比較協(xié)議,與之前所有此類協(xié)議相比,該協(xié)議不僅更加高效,而且更容易實(shí)現(xiàn)。在其他量子信息編碼方式方面,我們利用選擇測(cè)量基的信息編碼方式設(shè)計(jì)了一個(gè)QKD協(xié)議并證明了其安全性。這種特殊的信息編碼方式允許一個(gè)參與者在只配備無(wú)法顯示測(cè)量結(jié)果的量子測(cè)量設(shè)備時(shí)與他人共享安全密鑰。此外,我們利用時(shí)間編碼方式還提出了一種新型的量子位置認(rèn)證(Quantum Position Verification, QPV)協(xié)議——差時(shí)QPV (Different Time QPV,DTQPV)。在DTQPV中,驗(yàn)證者利用發(fā)送時(shí)間進(jìn)一步加密所傳輸?shù)男畔?使得DTQPV取得了比之前的同時(shí)性QPV更高的安全性。引入時(shí)間編碼的DTQPV在一定意義上突破了針對(duì)QPV的no-go定理,這是因?yàn)樵陬l率受限的模型下,即使敵手擁有無(wú)限的量子存儲(chǔ)能力,它仍然是安全的。
【關(guān)鍵詞】：量子信息編碼 量子密鑰分發(fā) 量子保密查詢 量子位置認(rèn)證
【學(xué)位授予單位】：北京郵電大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TN918.1;O413
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第一章 緒論11-19
• 1.1 研究背景和意義11-12
• 1.2 研究現(xiàn)狀12-16
• 1.3 論文安排及主要研究成果16-19
• 第二章 基礎(chǔ)知識(shí)19-27
• 2.1 量子力學(xué)基本假設(shè)19-23
• 2.1.1 量子態(tài)的向量描述19-22
• 2.1.2 量子態(tài)的密度算子描述22-23
• 2.2 量子密碼學(xué)的典型協(xié)議23-25
• 2.2.1 BB84協(xié)議23-24
• 2.2.2 “Ping-Pong”協(xié)議24-25
• 2.3 本章小結(jié)25-27
• 第三章 量子態(tài)編碼的研究與應(yīng)用27-55
• 3.1 量子態(tài)編碼27-28
• 3.2 基于單光子的多方量子密鑰協(xié)商協(xié)議28-35
• 3.2.1 關(guān)于QKA的討論29
• 3.2.2 協(xié)議過(guò)程29-31
• 3.2.3 協(xié)議安全性分析31-33
• 3.2.4 對(duì)Shi等人多方QKA協(xié)議的攻擊33-34
• 3.2.5 本節(jié)小結(jié)34-35
• 3.3 基于單光子多脈沖態(tài)的量子保密查詢協(xié)議35-46
• 3.3.1 預(yù)備知識(shí)36-38
• 3.3.2 協(xié)議過(guò)程38-41
• 3.3.3 安全性分析41-46
• 3.3.4 本節(jié)小結(jié)46
• 3.4 通過(guò)選擇檢測(cè)竊聽比特來(lái)控制密鑰46-55
• 3.4.1 基礎(chǔ)符號(hào)及定義47-48
• 3.4.2 參與者密鑰控制能力分析48-52
• 3.4.3 可能的應(yīng)用52-53
• 3.4.4 本節(jié)小結(jié)53-55
• 第四章 幺正操作編碼的研究與應(yīng)用55-83
• 4.1 幺正操作編碼55-56
• 4.2 對(duì)基于聯(lián)合檢測(cè)竊聽的多方秘密共享的攻擊的分析與改進(jìn)56-66
• 4.2.1 對(duì)Lin等人的協(xié)議和Gao的攻擊策略的回顧57-59
• 4.2.2 對(duì)Gao攻擊策略的分析及改進(jìn)59-65
• 4.2.3 本節(jié)小結(jié)65-66
• 4.3 基于單光子和聯(lián)合檢測(cè)竊聽的多方量子密碼協(xié)議66-75
• 4.3.1 對(duì)三方QKD協(xié)議的分析與改進(jìn)66-71
• 4.3.2 單光子聯(lián)合檢測(cè)多方量子密碼協(xié)議模型71-74
• 4.3.3 本節(jié)小結(jié)74-75
• 4.4 基于單光子和聯(lián)合檢測(cè)竊聽的高效量子保密比較協(xié)議75-83
• 4.4.1 協(xié)議過(guò)程75-79
• 4.4.2 安全性分析79-81
• 4.4.3 本節(jié)小結(jié)81-83
• 第五章 其他量子信息編碼方式的研究及應(yīng)用83-103
• 5.1 其他量子信息編碼方式83-84
• 5.2 利用選擇測(cè)量基編碼的量子密鑰分發(fā)協(xié)議84-94
• 5.2.1 回顧KMR13協(xié)議84-85
• 5.2.2 基于KMR13的QKD協(xié)議85-87
• 5.2.3 安全性證明87-93
• 5.2.4 本節(jié)小結(jié)93-94
• 5.3 攻擊頻率受限模型下的量子位置認(rèn)證94-103
• 5.3.1 預(yù)備知識(shí)94-96
• 5.3.2 差時(shí)量子位置認(rèn)證協(xié)議96-98
• 5.3.3 協(xié)議I在攻擊頻率受限模型下的安全性98-101
• 5.3.4 本節(jié)小結(jié)101-103
• 第六章 全文總結(jié)與展望103-105
• 參考文獻(xiàn)105-117
• 致謝117-119
• 博士在讀期間完成的論文119-121
• 博士在讀期間參與完成的項(xiàng)目121

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