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量子安全通信理论及方案研究

黄大足  
【摘要】:以量子通信和量子计算为主要内容的量子信息学是近十多年来迅速发展起来的新兴交叉学科,随着量子信息技术的不断发展,传统的安全通信系统从原理上讲已不再安全。无条件安全的量子通信基于量子力学的客观物理规律,完全不受无限增加的计算能力的威胁,为信息的安全传输提供一种全新的思路及方法。自从第一个量子密码协议(BB84协议)被提出以来,无论是理论研究还是实验实现方面都取得大量研究成果。然而,量子安全通信系统标准尚未形成,并且许多通信方案也需要进一步改进。因此,本博士论文从实际应用和安全性的角度出发,以经典信息论和量子力学理论为基础,对通信协议分析策略、量子安全直接通信、量子秘密共享、量子网络通信和量子信道编码等方面进行研究,主要研究内容如下: (1)对以前的“乒乓”量子通信协议提出一种量子编码攻击策略。基于稳定子量子纠错码的纠错原理和构造技术,分别对基于纠缠态和非正交态的“乒乓”协议的安全性进行分析,并从信息论角度对Eve可以获得的信息量和可能被检测到的概率进行讨论,最后列举三类防御方案。 (2)提出三种新的量子安全直接通信方案:第一种方案是基于密集编码和纠缠交换的量子安全双向直接通信方案,因为密集编码的局部幺正操作能传输高维Bell态,因此该方案的优点是能大容量地直接传输彼此的秘密消息,并且传输序列的秘密性以及纠缠变换确保该系统的安全;第二种方案是基于单光子极化角的量子安全双向通信方案,考虑到纠缠光子态在制备和检测方面的困难性,采用相对较容易制备和检测的单光子源作为信息载体,利用其秘密极化角交互秘密消息,很容易在通信方之间进行秘密消息的单向或双向直接传输,类似传统的通信方式,更符合实际通信需求;第三种方案是基于混沌理论和认证技术的量子安全直接通信方案,将身份认证和广义Arnold映射巧妙结合,在一步通信中同步完成身份认证和秘密消息的直接传输。直接消息传输依赖粒子的秘密传输顺序,秘密传输顺序依赖于具有密码意义安全性的混沌映射,而身份认证和混沌映射所需密钥来自于共享的EPR对,EPR对仅使用一次,类似于一次便签密码协议的安全性。而且,本方案与以前提出的一些量子安全直接通信方案相比,更便于实际应用。 (3)提出一种基于量子傅里叶变换的(n,n)门限秘密共享方案,该方案实际上就是一种多方的密钥分发,秘密消息通过量子傅里叶变换和逆变换进行分割和恢复。同时,针对攻击者的窃听、不诚实的参与者以及信道中的噪声和丢失进行严谨的设计。该方案的优点除安全之外,就是它很容易在真实的量子分布式计算中实现,因为它完全兼容量子计算。又提出一种量子密钥分发方案,只需要一次通信过程就可以完成量子密钥分发。秘密密钥可以事先确定,通过傅立叶变换和反变换实现对秘密密钥的编码和解码,并且只需要在攻击检测中交换少量经典信息,该方案具有较高的通信效率。 (4)提出一种小规模网络中实现多步量子远程传态的量子网络通信方案。该方案中,通信网络中的单量子比特信源节点使用多级远程传态的方式将未知量子态传输给网络中的其他节点,网络中的每一个中间节点能够将自己接收到的任何量子信息使用多步量子远程传态又传送给其他节点,通过未知的单量子比特态的远程传态和复合的未知两量子比特态的远程传态两个阶段实现量子网络通信。本方案最大的优势在于多点同步通信和它的线性特性,在实际的量子通信中较容易实现,而且量子远程传态过程是基于预先安全共享的Bell纠缠态作为量子信道,此方案是安全的。 (5)基于矩阵的多级递归结构提出一种稳定子[[N,K,d]量子纠错编码方案,稳定子的生成子是由级联矩阵中随机选择的N-k行组成,较容易构造出码长N任意长的稳定子量子码,并且具有较好的参数和较高的编码和解码效率。此外,根据二元量子信道的特点,提出一种基于量子控制非门(CNOT)操作的量子信道极化编码方案,量子信道极化被用来构建量子信道极化码,能获取任何给定的离散无记忆量子信道的容量,并具有较低的编码和解码复杂度。


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