基于混沌序列和量子逻辑门组的加密算法研究

论文摘要

随着量子计算的发展,依赖计算安全的加密算法面临挑战,设计新型量子加密算法,是当前量子密码研究的重要方向之一。本文在总结国内外量子加密算法研究现状的基础上,阐述了量子加密的相关理论,对量子加密原理、传输协议及安全性进行了详细分析,通过归纳已有量子加密算法,发现了现有量子加密算法的不足。本文引入混沌序列,通过随机调用逻辑门组的方式对量子编码后的混沌密钥序列进行量子态转换,然后与量子态明文进行异或操作实现量子加密,通过模拟实验进行了全面验证。完成的主要工作如下:1.总结量子加密的研究现状,梳理了量子加密算法涉及的量子计算、量子加密传输、量子密钥分发以及基于经典密钥和基于量子密钥的量子加密算法,分析了现有算法的不足。2.提出了基于混沌序列和量子逻辑门组的加密算法。分析了量子门操作构造和量子逻辑门加密控制的基本原理,对量子逻辑门组的纠缠特性和纠缠量子态的门操作进行了研究,基于纠缠态操作机理,利用量子逻辑门组对混沌密钥序列进行转换,然后用量子态混沌密钥同量子态明文进行异或操作,在获得巨大密钥空间的同时得到良好的加密效果,并从理论上分析了算法的安全性。3.利用空间转换原理设计了模拟量子计算实验,对模拟加密算法的思想及方法进行了详细阐述,利用C#语言实现了基于混沌序列和量子逻辑门组的加密算法。通过统计直方图对比测试、加密率效率测试和信息熵检验,验证了提出的基于混沌序列和量子逻辑门组转换加密算法的可行性。本文的研究成果为量子加密算法提供了一种新的尝试。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源及其研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 研究内容及创新点
• 1.4 本文组织结构及安排
• 第二章 量子加密算法相关理论及安全性分析
• 2.1 量子计算理论基础
• 2.1.1 量子计算的基本概念
• 2.1.2 基本量子操作
• 2.2 量子加密原理和量子传输协议
• 2.2.1 量子加密和传输的理论基础
• 2.2.2 密钥分发协议——单量子密钥分配协议模型
• 2.2.3 量子加密算法及量子传输协议安全性分析
• 2.3 经典量子加密算法
• 2.3.1 基于经典密钥的量子加密算法（PQC）
• 2.3.2 基于量子密钥的量子加密算法
• 2.4 小结
• 第三章 基于混沌序列和量子逻辑门组的加密算法研究
• 3.1 门构造的相关理论
• 3.1.1 量子门操作的构造
• 3.1.2 两比特门构造的必要条件
• 3.2 量子逻辑门加密控制原理
• 3.3 量子逻辑门组的纠缠特征分析
• 3.3.1 纠缠能力的表述
• 3.3.2 纠缠量子态的门操作形式
• 3.3.3 纠缠态操作机理
• 3.4 基于混沌序列和量子逻辑门的加密算法设计
• 3.4.1 量子序列加密算法机理
• 3.4.2 基于混沌序列和量子逻辑门加密算法
• 3.5 基于混沌序和量子逻辑门转换的加密算法安全性分析
• 3.6 小结
• 第四章 基于混沌序列和量子逻辑门组加密算法的模拟实验设计与验证
• 4.1 模拟实验设计思想
• 4.1.1 量子空间转换的基本原理
• 4.1.2 模拟加密算法的总体设计框架
• 4.2 基于混沌序列和量子逻辑门组加密算法的实现
• 4.2.1 产生混沌序列取值
• 4.2.2 读入图像界面
• 4.2.3 加密界面
• 4.3 实验验证
• 4.3.1 基于混沌序列和量子逻辑门组的加密算法实验验证
• 4.4 加密算法性能测试
• 4.4.1 直方图对比测试
• 4.4.2 加解密效率测试
• 4.4.3 信息熵检验
• 4.5 小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 结论
• 5.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果
• 附录A 模拟加密源程序