量子通信协议研究

论文摘要

量子通信由于其无条件安全性而得到了广泛的重视,取得了快速的发展。目前它的分支主要包括量子密钥分发、量子秘密共享、量子安全通信以及量子认证等。在量子密钥分发中,由于目前还没有实用的完美单光子源,通常采用弱相干光经过衰减近似地代替单光子源,因此可能存在光子数目分割攻击,诱骗态量子密钥分发的思想也就因此而产生了。并且随着量子通信的发展,点到点量子通信必然要过渡到多个用户的量子通信网络。本文主要对诱骗态量子密钥分发、量子秘密共享、量子安全通信和量子通信网络进行研究。论文的主要研究成果如下:在诱骗态量子密钥分发方面,首先从理论上仿真证明诱骗态方案确实能够识别光子数目分割攻击。其次推导了预报单光子源诱骗态量子密钥分发的密钥产生率公式,并进行了弱相干光和预报单光子源诱骗态量子密钥分发的最优强度估计和密钥产生率计算与仿真。研究表明:密钥产生率随着发送端探测效率的增加而增加;采用诱骗态后由于能够更好地估计出单光子的通过率,因此密钥产生率和安全通信距离都得到了提高。最后提出了一种基于预报单光子源的单一强度的诱骗态量子密钥分发方案:在发端采用参量下变换产生纠缠光子对,其中之一用来进行预报探测,根据探测结果将另一路光脉冲分成两个集合,其中预报探测有响应的脉冲集合用作信号态,无响应的脉冲集合作为诱骗态。通过这两个集合的通过率和错误率估计出单光子的通过率和错误率,并进行了密钥产生率的推导和数值仿真。研究表明:其安全通信距离与完美单光子源一致,虽然其密钥产生率和三强度诱骗态方案相比有所下降,但该方案不需要改变光强,实现起来更容易。在量子秘密共享方面,研究了基于单光子的多方与多方之间的量子秘密共享协议,发现如果发送方不注意公布编码基和编码信息的顺序,则并不需要所有的代理合作不诚实者就可以获得信息。提出了各个代理采用顺序公布编码信息逆序公布编码基的改进方案。研究了基于纠缠交换的量子秘密共享协议,发现如果不改变发送给同一个代理的两个粒子的相对顺序,则不诚实者可以通过攻击最终使得诚实者得到错误的密钥。然后提出了随机地改变发送给同一代理的两粒子顺序的改进方案。研究了基于纠缠交换的量子秘密共享协议,此协议由于让每一个代理来制备纠缠态而带来了不安全性。提出了新的基于纠缠交换的量子秘密共享协议,所有的纠缠态都由发送方来制备,并且随机地改变发送给同一个代理的两粒子的相对顺序。在接收方收到粒子后,如果是检测模式,发送方公布两粒子的顺序,双方进行窃听检测;如果是信息模式则两个接收方分别对各自的两个粒子进行联合测量,两者联合起来与发送方共享密钥。分析结果表明此协议能够保证共享信息的安全性和正确性。在量子安全通信方面,分析了已有的量子安全通信协议,提出了基于单光子的单向量子安全通信方案。发送方在对信息序列进行编码操作之前首先将其和随机序列进行异或操作并插入校验序列。接收方收到光子后对其进行延迟,然后发送方公布编码基从而使接收方在正确的基下进行测量。接着双方通过校验序列判断信道的安全性,如果信道安全,则发送方公布接收方有测量结果的位置所对应的随机序列,接收方由此恢复出信息序列;如果信道不安全,窃听者所获得的只是随机的发送序列,信息序列仍然是安全的。此协议与双向通信协议相比具有传输效率高,易于实现等优点。在量子通信网络方面,提出了量子通信网络和量子交换机的架构以及基于诱骗态的广域量子安全直接通信网络方案。该方案在每一个局域网中设置一个服务器负责量子态的产生和测量,从而有效地提高了通信距离;将诱骗态的思想引入量子安全直接通信以保证利用弱相干光代替完美单光子源时传输信息的安全性;并且根据信道参数估计了不同通信距离的通过率,为信道编码提供依据。分析结果表明此方案能够实现远距离量子安全直接通信。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 量子通信研究背景及意义
• 1.2 量子通信研究进展及问题
• 1.2.1 量子密钥分发研究进展及问题
• 1.2.2 量子秘密共享研究进展及问题
• 1.2.3 量子安全通信研究进展及问题
• 1.2.4 量子通信网络研究进展及问题
• 1.3 本文的主要内容和章节安排
• 1.3.1 本文的主要内容
• 1.3.2 本文的章节安排
• 第二章 诱骗态量子密钥分发研究
• 2.1 量子密钥分发概述
• 2.1.1 BB84 协议
• 2.1.2 B92 协议
• 2.1.3 E91 协议
• 2.2 诱骗态量子密钥分发的原理
• 2.3 诱骗态量子密钥分发对PNS攻击的识别能力分析
• 2.3.1 弱相干光通信的安全门限距离
• 2.3.2 诱骗态对PNS攻击的识别能力分析
• 2.3.3 结论
• 2.4 弱相干光诱骗态量子密钥分发计算与性能仿真
• 2.4.1 密钥产生率计算
• 2.4.2 弱相干光量子密钥分发性能仿真
• 2.4.3 弱相干光诱骗态量子密钥分发性能仿真
• 2.5 预报单光子源诱骗态量子密钥分发计算与性能仿真
• 2.5.1 密钥产生率计算
• 2.5.2 预报单光子源量子密钥分发性能仿真
• 2.5.3 预报单光子源诱骗态量子密钥分发性能仿真
• 2.5.4 结论
• 2.6 一种新的预报单光子源诱骗态量子密钥分发方案
• 2.6.1 方案描述与密钥产生率计算
• 2.6.2 密钥产生率与发送端探测效率的关系
• 2.6.3 与其它量子密钥分发方法的性能比较
• 2.6.4 结论
• 2.7 本章小结
• 第三章 量子秘密共享协议研究
• 3.1 量子秘密共享概述
• 3.1.1 HBB99 协议
• 3.1.2 KKI99 协议
• 3.2 基于单光子的多方与多方的QSS协议分析及改进
• 3.2.1 协议描述
• 3.2.2 不安全性分析
• 3.2.3 协议的改进
• 3.3 基于纠缠交换的QSS协议分析及改进
• 3.3.1 协议描述
• 3.3.2 不安全性分析
• 3.3.3 协议的改进
• 3.4 一种新的基于纠缠交换的QSS协议
• 3.4.1 基于纠缠交换的QSS协议描述
• 3.4.2 不安全性分析
• 3.4.3 一种新的基于纠缠交换的QSS协议
• 3.5 本章小结
• 第四章 量子安全通信协议研究
• 4.1 量子安全通信概述
• 4.1.1 ping-pong 协议描述
• 4.1.2 不安全性分析
• 4.1.3 协议的改进
• 4.2 Two-Step量子安全直接通信协议
• 4.2.1 协议描述
• 4.2.2 协议分析
• 4.3 基于单光子的量子安全通信协议
• 4.3.1 基于单光子的QSDC协议
• 4.3.2 基于单光子的DSQC协议
• 4.4 一种基于单光子的单向量子安全通信协议
• 4.4.1 协议描述
• 4.4.2 安全性分析
• 4.4.3 与其它协议的比较
• 4.5 本章小结
• 第五章 量子通信网络研究
• 5.1 量子通信网络概述
• 5.2 基于光路交换的量子通信网络
• 5.2.1 ASON 简介
• 5.2.2 量子通信网络架构
• 5.2.3 量子交换机研究
• 5.3 一种基于诱骗态的广域量子安全直接通信网络方案
• 5.3.1 经济的量子安全直接通信网络方案
• 5.3.2 基于诱骗态的广域量子安全直接通信网络方案
• 5.3.3 安全性分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结和展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士期间的研究成果