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《北京邮电大学》 2015年
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量子态远程制备与量子密钥分发协议的研究

常利伟  
【摘要】:随着科学技术的快速发展,人类社会进入网络信息时代。信息安全事件频发致使信息安全问题引起人们的广泛关注。旨在保护信息安全的保密通信技术成为研究重点。而以经典密码为基础的经典保密通信技术受到量子信息技术革命性的冲击,尤其是量子算法对现行公钥密码体制安全产生严重威胁。以物理特性为安全保证的量子保密通信技术能够很好地弥补经典保密通信的不足。量子保密通信是通过有效的结合经典信息理论和量子力学特性,以量子态为信息载体实现信息高效且安全的传输。相关课题的研究具有极其重要的理论价值和广泛的应用前景。量子保密通信覆盖量子通信和量子密码等领域。本论文研究内容具体包括量子安全通信中的量子态远程制备协议和量子密码中的量子密钥分发协议。其中,对于量子态远程制备协议的研究侧重于网络化多源单播型和多源多播型量子态远程制备协议的研究,而对于量子密钥分发协议的研究侧重于基于信道加密的量子密钥分发协议的研究。本论文的创新成果如下:(1)多源单播型量子态远程制备方面。参照经典网络传输协议的分类方法,将量子态远程制备分为四类:单源单播型、多源单播型、单源多播型和多源多播型,并指出每种类型协议的优点与不足。着重研究其他文献较少研究的多粒子特殊纠缠态远程制备。分别基于最大纠缠信道和部分纠缠信道设计任意五粒子Brown态联合远程制备协议和任意四粒子χ-态可控联合远程制备协议。基于最大纠缠信道时,两个多源单播型量子态远程制备协议的效率都达到100%,基于部分纠缠信道时,都采用特定联合酉操作和最优POVM测量恢复目标量子态并从辅助粒子个数、酉操作维数和协议成功率比较这两种方法。与同类协议相比,这两个协议效率显著提高、不仅考虑最大纠缠信道还考虑部分纠缠信道,部分纠缠信道时采用两种方法并比较这两种方法。(2)多源多播型量子态远程制备方面。总结出四种类型量子态远程制备协议共同的设计技巧并着重指出多源多播型量子态远程制备协议设计的关键—高维基变换矩阵。借助相关定理和推论证明当矩阵维数n8时一般性的实酉基变换矩阵不存在,并利用胡尔维茨矩阵等式构造一类特殊的16维实酉基变换矩阵和一类极其特殊的16维复酉基变换矩阵。最后分别基于最大纠缠信道和部分纠缠信道设计3对2两粒子态可控远程制备协议和N对2四粒子簇态可控远程制备协议。基于最大纠缠信道时,两个多源多播型量子态远程制备协议的效率都达到100%。基于部分纠缠信道时,两个多源多播型远程制备协议也都采用特定联合酉操作和最优POVM测量恢复目标量子态并比较这两种方法。目前针对多源多播型量子态远程制备协议的研究并不充分,且集中于将信息编码在目标量子态的相位部分。本论文设计的这两个协议能同时将信息编码在目标量子态的振幅和相位。(3)量子密钥分发协议方面。主要研究一类基于信道加密的量子密钥分发协议。与其他密钥分发协议相比,基于信道加密的密钥分发协议不需要选择测量基、实现方法简单且信道密钥可以重复使用。可是这类协议存在一种特殊的纠缠攻击,利用这种攻击策略攻击者能够在不引入错误的条件下窃取近一半的密钥。重点分析分别以Bell态和d级Bell态为信道密钥的密钥分发协议以找出它们被攻击成功的原因。最后提出两个改进协议,这两个改进协议虽然效率有所降低,却能够有效抵抗这种特殊的纠缠攻击。
【学位授予单位】:北京邮电大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TN918.4

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