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量子安全直接通信的理论研究

杨静  
【摘要】:量子通信是量子信息学中的一个重要学科,它利用量子力学的基本原理,如量子态的测量塌缩性质和量子态不可克隆原理等,为信息的安全传输提供了新的方式。量子密码通信相比于经典密码学,具有无条件安全性和对窃听的可检测性两大特征,因为它解决了经典密码通信中对于计算复杂度的依赖。 近些年来随着量子通信的不断发展,量子安全直接通信成为了量子通信的一个重要分支。量子安全直接通信以光子的不同量子态作为传输过程中的信息载体,目的是使通信双方能够保证安全无误的直接传输机密信息。与量子密钥分配不同,量子安全直接通信的目的是在信道中传输机密信息本身,因此不能像密钥分发协议那样一旦发现窃听就丢弃已经传输的信息,所以在安全性要求上量子安全直接通信更高。 本论文涉及的主要内容是量子安全直接通信方面的理论性研究,我们提出了两种改进的量子安全直接通信协议和一种无消相干子空间量子态的制备方案。 在第一种设计方案中我们提出了以量子安全直接通信协议为基础并加入量子认证的两个方法,在不影响安全性的前提下,引入认证密钥扩展来增加密钥的使用寿命,第一个方法中引入了一位被认为是更加安全的第三方Trent,由他发送偏振单光子,对通信主体进行认证,其中偏振单光子是传输过程中的信息载体,用于直接传递秘密信息,而另一个方法的认证过程只在两个通信主体之间发生。第二种协议设计方案则是为了抵抗噪声产生消相干效应而提出的更加有效的量子安全直接通信协议,我们使用纠缠粒子对,利用两步协议的思想直接传递秘密信息,为了抵抗联合噪声,提出了无消相干子空间下的单逻辑量子比特和相应的幺正操作,并构造出了逻辑Bell态形式。在量子态制备方案中我们利用弱Kerr非线性效应和量子逻辑门制备无消相干子空间量子态,并且讨论了该协议的成功率和保真度。


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