有身份认证的四量子纠缠量子密钥分发协议

论文摘要

量子密钥是以量子力学为基础,用微观粒子的量子物理效应进行保密的,它的安全性由量子力学性质保证。自1970年Stephen Weisner提出“量子货币”方案以来,国内外均做了很多这方面的研究,量子保密通信试验成功也有报道。量子密钥方案具有传统密码通信所无法比拟的优越性,因而受到各国政府、金融、军事机构的重视。在量子通信领域中尤其是多量子纠缠态具有很多优异性质,在量子通信领域有很强的研究价值。本文在综述目前量子密钥分发的主要研究成果的基础上,着重研究了四量子纠缠态的性质,通过对某一种特别类型的四量子纠缠态做局域变换得到一组有完备正交基的集合,观察这些正交变换量子态并将这些正交态进行分组处理,再设计一定的编码规则,将通信者的身份认证信息与量子密钥信息同时通过光纤或自由空间信道共同发送到接收者Bob,收信者Bob以特定的方式提取出发信者Alice的身份认证信息与发送的密钥信息,从而完成密钥分发。以往的QKD协议不能有效抵抗身份冒充的中间人攻击,本文提出使用四量子纠缠态做载体,将密钥与通信者身份认证信息以某种特殊方式处理后通过四量子纠缠信道发送到接收方Bob,可以有效防止中间人攻击,以进一步提高信息的保密性;而且通过适当调整此密钥分发协议能够适应不同的信道状况,但是QKD的安全有效性不会降低。本文根据量子信息理论讨论了利用四粒子纠缠态做密钥分发的安全性,并且计算了它的量子熵、研究了同时做密钥分发与身份认证的安全性能,可以抵抗身份伪装的中间人攻击,进一步提高了量子密钥分发的安全性能。本文进一步根据量子通信理论,对四量子纠缠态密钥分发系统做了计算机仿真计算,其结果与BB84、B92、EPR协议的量子熵、保真度以及秘钥分发的量子比特利用率等做了比较。发现本协议在量子保真度性能有一定下降、但是Von Neumann熵、量子比特利用率的指标明显优于前三者。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 研究背景量子信息学简介
• 1.2 国际国内研究状况和进展
• 1.3 研究的必要性
• 1.4 本文的工作
• 第二章 量子力学和量子信息论
• 2.1 量子力学原理
• 2.1.1 量子和量子态
• 2.1.2 微观粒子的波粒二象性
• 2.1.3 波函数的统计诠释
• 2.1.4 量子态叠加原理
• 2.1.5 海森堡测不准原理
• 2.1.6 薛定谔方程
• 2.2 量子信息论
• 2.2.1 量子位
• 2.2.2 多量子位系统
• 2.2.3 测量原理
• 2.2.4 量子态不可克隆定理
• 2.2.5 量子纠缠
• 2.2.6 多量子纠缠态
• 2.3 量子噪声和量子运算
• 2.3.1 量子信道与量子噪声
• 2.3.2 量子运算的算子和表示
• 2.4 量子信息的距离度量
• 2.4.1 迹距离
• 2.4.2 保真度
• 2.4.3 量子信道对信息的保持
• 2.5 量子熵与信息
• 2.5.1 Shannon 熵
• 2.5.2 von Neumann 量子熵
• 2.6 量子密码术
• 2.6.1 经典密码学概念
• 2.6.2 量子密码理论依据
• 第三章 四量子纠缠态特性与有身份认证的密钥分发协议
• 3.1 引言
• 3.2 四量子纠缠态
• 3.2.1 四量子纠缠态的纠缠类型
• 3.2.2 四量子纠缠态局域变换与分组
• 3.3 有身份认证的四量子密钥分发协议
• 3.4 EVE 窃听下协议的安全性分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 有身份认证的四量子密钥分发协议仿真分析
• 4.1 引言
• 4.2 VON NEUMANN 熵与保真度
• 4.3 量子比特利用率
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表和完成的研究论文
• 致谢