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量子私密查询技术的可靠性研究

陈柄任  
【摘要】:量子安全多方计算技术是安全多方计算与量子信息技术所衍生出的新型交叉学科。前者是计算机科学密码学下的热门研究领域,而后者是物理学中的重要分支。量子私密查询是量子安全多方计算问题的重要子问题之一,它主要解决如下问题:有一个服务商Bob拥有一个数据库。数据库包含两部分,输入与输出。该服务商的用户Alice想要在Bob的数据库中查询数据,她提交一个合法输入,并期望获得该输入的输出。查询方法可以被定义为一个关于输入到输出的映射。量子私密查询问题要求,在查询过程中,保证如下两个条件:(1)Alice隐私安全性:非诚实用户Bob在协议过程中无法获取Alice输入的信息。(2)Bob隐私安全性:非诚实用户Alice在协议过程中无法获取Bob数据库的其他信息。本文从三个方面对量子私密查询协议的可靠性进行分析与研究:安全可靠性,应用可靠性和通讯可靠性。安全可靠性研究量子私密查询协议是否满足其安全性定义,它包含安全性分析,构造攻击方案,提出改进协议等内容。应用可靠性研究在使用量子私密查询协议的应用中,量子私密查询协议是否具备满足当前应用的既定要求。量子私密查询协议本身定义是否存在局限性并是否有提升的空间。通讯可靠性研究在Alice和Bob间传输量子比特时,两者间的量子信道是否可靠。Alice和Bob间是否有可靠协议支持量子比特的重传以及如何阻止第三方Eve对量子比特的截获。本文主要贡献如下:(1)在安全可靠性上,对量子私密查询的重要应用安全两方私密距离计算进行密码学分析。用量子攻击手段瓦解安全两方私密距离计算协议的安全性。针对数据持有者与客户提出两种攻击方式,两个协议均可以使得作弊方以正概率获得对方隐私,且以0概率被发现。之后我们提出新的协议,它不仅能抵抗这两种攻击,而且使得原始协议更加公平。新协议可以保证协议的双方均获得最终距离。除此之外,新协议的消息复杂度与原协议维持在同一水平。(2)在应用可靠性上,本文拓宽了量子私密查询问题的局限性,提出新问题对称量子私密查询,可以使得双方均获知查询结果,应用于更多场景。证明量子私密查询问题无法达到无条件安全。此外,本文还提出了首个作弊敏感对称量子私密查询协议并从信息论角度对其安全性进行了证明。最后我们根据对称量子私密查询协议提出了作弊敏感的量子比特承诺协议。(3)在通讯可靠性上,提出基于中继器的量子传输控制协议,它不仅可以应用于量子私密查询协议也可以应用于其它需要传输量子比特的协议。该协议不仅在传输量子比特前用分布式量子资源预留协议保证每个节点有足够的量子资源(例如量子纠缠、量子操作或测量设备)来支持传输,也可以在传输错误(丢包、经典比特翻转、量子比特的比特翻转及相位翻转、量子纠缠发生退相干等)发生后进行重传。从这两个方面极大地提升传输可靠性。本文将这两个协议与基于中继器量子网络模型下的其他协议整合在一起,规定了量子包头格式与缓存区内算法,并在模拟仿真环境中进行了模拟。


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