基于量子理论的秘密共享协议和对话协议研究

论文摘要

随着社会的发展,人与人之间信息交换变得越发迫切与频繁。如何确保交换过程中的信息的安全催生出以此为研究目标的一门科学—密码学。然而,目前广泛应用于保密通信中的密码体制(密码算法)的安全性大多依赖于没有严格证明的数学难题,随着经典计算机计算能力的提高和量子分解算法研究领域的重大突破,依赖于数学难题的密码体制的安全性将面临着严峻的挑战。量子密码的出现使密码研究者们摆脱了这一窘境。量子密码学是密码学与量子力学相结合的产物,其安全性受到量子力学基本规律的保证。量子不可克隆原理和Heisenberg测不准原理保证了量子密码体制具有无条件安全性和对窃听的可检测性,因此,量子密码体制具有良好的性能和应用前景。本文紧跟量子密码协议研究领域的前沿热点问题,主要取得了以下成果:(1)基于两粒子纠缠态提出一个高效的量子秘密共享协议。协议中,除去用作检测窃听的粒子外,所有的EPR纠缠对均可以用作生成最终的秘密信息,因此,协议的理论效率接近100%。协议可以抵抗内部成员的攻击,诸如不可见光子检测攻击、特洛伊木马攻击以及密集编码攻击对于提出的协议都是无效的,同时,一种被称为不透明欺骗攻击的有效性也被首次分析。(2)指出两个高效的具有高容量的量子秘密共享协议中存在的安全性问题并给出相应的改进方案。改进的协议是基于对两粒子纠缠态直接编码而不是通过对某些特定的局部正交变换的编码来实现,协议是安全高效的;同时,我们将协议成功的推广到多方的情况,为此类协议的进一步的应用奠定了坚实的基础;最后,我们对此类量子秘密共享协议中存在的一个有趣但是非常重要的问题(即协议中共享的消息不是由Boss而是由代理联合生成的,这是与量子秘密共享的应用情景相违背的)展开讨论,通过对我们提出的协议做一些细微的修改即可避免此问题。(3)分析了一个基于χ类型纠缠态的三方量子秘密共享协议中存在的安全隐患并给出相应的改进方案。通过截获—重发攻击,协议中的不诚实成员Bob(注意,并不是Charlie)可以在没有Charlie的帮助下完全获得Alice所有的秘密信息。(4)指出一个基于Bell态测量的量子秘密共享协议中的不安全性并给出相应的改进方案。在原协议中,任何代理Alice(或Bob)可以在没有别的成员的帮助下非法的获得Trent的一半秘密消息;通过修改量子态和经典信息的对照表,最终使得协议安全;改进的协议拥有以下的优点:(a)成员不需要制备任何量子态,也不需要执行对粒子的任何局部正交变换操作;(b)在生成最终的秘密时,所有的成员唯一需要做的就是对纠缠对做Bell态测量;(c)除了在检测窃听阶段需要传输经典信息外,协议在执行过程中不需要传递任何经典信息;(d)所有的信息只需在量子信道中传输一次,这也就意味着由于信道中存在噪声而损失的粒子很少。(5)指出一个可以实现多方与多方之间秘密共享的量子秘密共享协议中存在的安全性隐患并给出相应的改进方案。在原协议中,群组1中的最后一个成员可以非法获得协议中的大部分秘密。(6)基于单粒子提出一个具有高量子比特利用率的量子对话协议,此协议可以抵抗拒绝服务攻击、特洛伊木马攻击和不可见光子检测攻击,协议中不存在信息泄露问题,鉴于协议中不需要使用纠缠态粒子以及多态联合测量,因此协议是很适合于实际应用的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究意义
• 1.2 量子密码发展历史
• 1.3 课题支持
• 1.4 论文安排及本文的主要工作
• 1.5 本章小结
• 第二章 量子密码协议基础知识
• 2.1 量子力学基础
• 2.1.1 量子力学第一假设
• 2.1.2 量子力学第二假设
• 2.1.3 量子力学第三假设
• 2.1.4 量子力学第四假设
• 2.1.5 量子力学第五假设
• 2.2 量子力学中的三个基本原理
• 2.2.1 Heisenberg 测不准原理
• 2.2.2 不可克隆原理
• 2.2.3 非正交量子态不可区分定理
• 2.3 量子纠缠性
• 2.4 几类常见的纠缠态
• 2.4.1 Bell 态
• 2.4.2 GHZ 态和W 态
• 2.5 量子逻辑门
• 2.5.1 几个重要的一位门
• 2.5.2 量子控制非门
• 2.6 本章小结
• 第三章 量子秘密共享简介
• 3.1 量子秘密共享协议的概念
• 3.2 典型量子秘密共享协议介绍
• 3.2.1 基于纠缠态的经典消息秘密共享方案HBB
• 3.2.2 基于非纠缠态的经典消息秘密共享方案GG
• 3.2.3 量子态的秘密共享方案HBB
• 3.3 本章小结
• 第四章 基于两粒子纠缠态的高效量子秘密共享方案
• 4.1 方案研究背景
• 4.2 方案描述
• 4.3 方案正确性分析
• 4.4 方案的安全性分析
• 4.4.1 内部攻击的安全性
• 4.4.2 密集编码攻击的安全性
• 4.4.3 不透明欺骗攻击的安全性
• 4.5 本章小结
• 第五章 几个秘密共享协议的安全性分析与改进
• 5.1 量子秘密共享协议分析中常用的攻击方法
• 5.2 对一类具有高容量的QSS 协议的分析和改进
• 5.2.1 DLZ+协议和DLZ++协议描述
• 5.2.2 攻击策略
• 5.2.3 改进的方案
• 5.2.4 安全性分析和效率分析
• 5.2.5 推广到多方
• 5.2.6 讨论
• 5.2.7 结论
• 5.3 基于χ类型纠缠态的QSS 协议的分析和改进
• 5.3.1 χ类型纠缠态介绍
• 5.3.2 YCW 协议描述
• 5.3.3 攻击策略
• 5.3.4 改进的方案
• 5.3.5 结论
• 5.4 基于 Bell 态测量的QSS 协议的分析和改进
• 5.4.1 Sun 协议描述
• 5.4.2 攻击策略
• 5.4.3 改进的方案
• 5.4.4 结论
• 5.5 多方与多方之间QSS 协议的分析和改进
• 5.5.1 YGL 协议描述
• 5.5.2 攻击策略
• 5.5.3 改进的方案
• 5.5.4 结论
• 5.6 本章小结
• 第六章 基于单量子的高效无信息泄露的量子对话方案
• 6.1 研究背景
• 6.2 方案描述
• 6.3 安全性分析
• 6.3.1 拒绝服务攻击安全性
• 6.3.2 延迟粒子特洛伊木马攻击安全性
• 6.3.3 不可见光子检测攻击安全性
• 6.3.4 无信息泄露安全性
• 6.4 效率分析
• 6.5 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 研究展望
• 7.3 论文中的不足
• 致谢
• 参考文献
• 作者在攻读博士学位期间完成的论文和科研工作