量子信息隐藏协议设计与分析的研究

论文摘要

量子信息隐藏是经典信息隐藏与量子密码、量子通信技术的最新结合,是信息安全技术中的新亮点。量子信息隐藏以经典信息隐藏的设计思想为基础,通过在量子密码或量子通信技术中建立隐蔽的量子信道,从而实现通信者之间的秘密通信。量子信息隐藏研究不仅能为量子密码、量子通信技术的理论研究作出重大贡献,而且还可对国家信息安全保护构成巨大影响。随着研究的不断深入,量子信息隐藏研究已由早期的主要偏重于基于量子物理特性和经典量子密码技术的量子信息隐藏协议设计,扩展到了现在的能基于各种量子密码和量子通信技术的量子信息隐藏协议设计。特别是能够拥有更为优良的隐蔽性和安全性表现的量子隐写协议设计是当前量子信息隐藏技术发展的重点。量子计算、量子密码和量子通信是量子信息技术研究中的三大研究方向。当前,随着量子计算机的不断发展,量子信息技术的网络化趋势越来越明显。作为这种发展任务的直接承担者,量子通信技术的研究与发展无论是在理论上还是实际应用上都有着极为重要的意义。近年来,量子安全直接通信（Quantum Secure Direct Communication, QSDC）由于拥有较高的信息传输率、合理的量子资源利用率和较强的安全性,得到了长足的发展。而量子会话（Quantum Dialogue, QD）是量子安全直接通信技术的最新发展形式,无论是在信息传输率、量子资源利用率还是安全性上,它都能比量子安全直接通信具有更为优异的表现。此外,量子会话的研究发展还可为量子信息隐藏技术的研究发展提供一个新的发展平台。因此,对量子会话技术展开深入的研究具有十分积极的意义。本论文主要对量子信息隐藏协议设计和量子会话协议设计进行了研究。此外,由于经典隐写是量子信息隐藏技术发展的思想来源。为了能从经典隐写中获取新的研究思路,我们的研究还涉及了经典隐写算法设计。具体的研究内容包括四个部分：基于改进"Ping-Pong"量子安全直接通信协议的量子信息隐藏协议设计、基于χ型纠缠态量子安全直接通信协议的量子信息隐藏协议设计、基于x型纠缠态的无信息泄露安全量子会话协议设计和高效率隐写算法设计。论文对我们在相关研究过程中所取得的成果进行了详细地阐述。其中,主要的创新工作简要归纳如下：1.在基于改进‘’Ping-Pong"量子安全直接通信协议的量子信息隐藏协议设计研究中：我们首先对现有的量子信息隐藏成果进行了分析和总结,根据隐藏方式的不同,将它们划分成了两大类：量子数据隐藏（Quantum Data Hiding, QDH）和量子隐写（Quantum Steganography, QS）。此后,在QS的研究思想基础上,首次提出了基于QSDC协议进行量子隐写协议设计的研究思想,并基于改进"Ping-Pong"量子安全直接通信协议提出了一种新的大容量量子隐写协议。新协议利用Bell态纠缠转换,结合超密编码的方法在QSDC协议中建立隐藏信道,成功实现了通信方之间的秘密通信。同时,该协议容量被扩展至四个比特,四倍于此前量子信息隐藏成果的平均容量。此外,它所建立的包括正常协议信道和隐藏信道在内的叠加信道能够取得比原协议信道更为高效的信息传输率。最后,我们还对新协议的应用功能进行了扩展,使之能够传递量子秘密消息并实现身份认证功能。2.在基于x型纠缠态量子安全直接通信协议的量子信息隐藏协议设计研究中：我们首先在充分利用猫态纠缠交换相关研究成果的基础上,提出了一种新的x型纠缠态纠缠交换计算方法,并给出了其计算公式和计算结果。然后,我们提出了一种基于x型纠缠态QSDC的超大容量量子隐写协议。它继承了经典隐写的思想,结合纠缠交换和超密编码,成功实现了在x型纠缠态QSDC信道中的隐蔽通信。相比于此前已有的成果,新协议的隐写容量进一步增加到了八个比特。在隐蔽性方面,新协议无需经典信道下的辅助通信,也不会对原x态QSDC协议造成任何干扰。依赖于量子测不准定理和量子不可克隆定理,通过对秘密消息进行随机化处理,新协议的隐蔽性可以达到或接近理论最优。在安全性方面,新协议详细地分析并证明,它不仅能有效应对包括拦截-重发、测量-重发、附加粒子以及中间人攻击等各种常规的窃听攻击,而且还能凭借其优良的隐蔽性有效抵御拒绝服务攻击（Denial of Service, Dos）。3.在无信息泄露安全量子会话协议设计中：我们在充分研究并总结各种现有量子会话成果的优缺点,重点分析和讨论量子会话中信息泄露问题的各种应对策略及其相应解决方法的基础上,深入挖掘了x型纠缠态的基本物理特性,提出了两种新的量子会话协议。其中,第一种协议基于x型纠缠态不同粒子组上叠加酉变换的相异性。另一种则基于x型纠缠态的纠缠交换。这两种新协议的理论分析证明,相比于以往的量子会话协议,它们通过引入错位选择和增加叠加酉变换的组合不确定性,不仅在应对常规的各种窃听攻击的安全性上有明显增强,而且在会话过程中真正实现了无信息泄露。此外,相比于已有的无信息泄露量子会话成果,新协议在量子资源利用率上也具有明显的优势。4.在高效率经典隐写算法设计研究中：我们在EMD隐写算法的基础上,对其嵌入率和修改率的进行了改进,提出了一种新的高效率改进算法。新算法主要采用了两种新方法来进行改进：第一个方法是通过对秘密消息进行分级处理来提高嵌入率,同时降低修改率；第二个方法则是通过在载体数据分组中实行共用策略来增加隐写容量,并进一步提高嵌入率。实验结果显示,相比于原EMD算法,新算法在嵌入率和修改率等性能上都有明显提升。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 研究意义
• 1.2 研究现状
• 1.3 论文的主要工作和安排
• 第二章 量子信息隐藏概述
• 2.1 引言
• 2.2 信息隐藏
• 2.2.1 简介
• 2.2.2 分类
• 2.3 量子密码
• 2.3.1 简介
• 2.3.2 BB84协议
• 2.4 量子通信
• 2.4.1 简介
• 2.4.2 "Ping-Pong"协议
• 2.5 量子信息隐藏
• 2.5.1 简介
• 2.5.2 基于Bell态的量子数据隐藏协议
• 2.5.3 量子信息中的量子隐写协议
• 2.5.4 基于纠错码的量子隐写协议
• 2.6 本章小结
• 第三章 基于改进"Ping-Pong"协议的量子信息隐藏协议设计
• 3.1 引言
• 3.2 设计思想
• 3.3 改进"Ping-Pong"协议
• 3.4 Bell态纠缠交换
• 3.5 基于改进"Ping-Pong"协议的量子隐写协议
• 3.5.1 协议步骤
• 3.5.2 性能分析
• 3.5.3 扩展应用
• 3.6 本章小结
• 第四章 基于χ型纠缠态的大容量量子信息隐藏协议设计
• 4.1 引言
• 4.2 χ型纠缠态物理特性
• 4.3 χ型纠缠态纠缠交换
• 4.4 χ型纠缠态QSDC协议
• 4.5 基于χ型纠缠态的大容量量子隐写协议
• 4.5.1 协议步骤
• 4.5.2 性能分析
• 4.5.3 扩展应用
• 4.6 本章小结
• 第五章 无信息泄露的量子会话协议设计
• 5.1 引言
• 5.2 研究现状
• 5.3 早期量子会话协议
• 5.4 信息泄露问题讨论和分析
• 5.5 无信息泄露量子会话协议
• 5.6 基于χ型纠缠态的无信息泄露量子会话协议设计
• 5.6.1 χ型纠缠态物理特性
• 5.6.2 协议步骤
• 5.6.3 性能分析
• 5.6.4 总结和讨论
• 5.7 本章小结
• 第六章 高效率经典隐写算法设计
• 6.1 引言
• 6.2 简介
• 6.3 研究现状
• 6.4 高嵌入率、低修改率EMD改进隐写算法设计
• 6.4.1 EMD隐写算法
• 6.4.2 分级处理
• 6.4.3 共用策略
• 6.4.4 改进EMD算法步骤
• 6.4.5 性能分析
• 6.5 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 本论文研究工作的总结
• 7.2 研究工作的展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间的成果
• 攻读博士学位期间参与的科研项目