基于BB84量子密钥分发协议的量子密码通信系统研究

摘要

通信技术是20世纪80年代以来发展最快的学科之一，也是人类进入信息社会的重要标志。纵观通信发展的语言文字通信、电通信、电子信息通信三个阶段，信息传输的安全性和保密性一直作为核心内容贯穿始终。在通信过程中，如何正确连接通信双方使得他们能够安全地互相交流信息，而不让第三方窃取或破坏信息的内容，是通信技术的关键问题之一。 本文在充分掌握了量子密码学研究现状的基础上，重点针对BB84量子密钥分配协议展开了研究。BB84协议的信息传输过程，实际上可分为两个部分：一部分是通过量子信道进行量子态传输，另一部分是在公开的经典信道中进行数据传递，用以筛选数据、检测被窃听情况、纠错等。量子密钥分配协议的高安全性主要建立在Heisenberg测不准原理和量子不可克隆定理[1,2]两大理论基础上，然而也正因如此，使得协议存在传输效率不高、通信双方合法身份待定等问题。 针对上述这些问题，胡耀祖先生曾在他的文立[3]中提出了相应的改进意见，本文基于胡先生的两个观点进行了进一步的思考，形成了一种基于BB84的改进量子密钥分配办案BB84r。该办案的核心思想是在进一步完善协议的安全性的同时，提高协议的通信效率。考虑到实际应用的环境，此方案在通信双方正式建立连接前，加入基于量子认证协议的身份认证过程。然后通过认证密钥的使用提高信号传输效率。虽然BB84r并不是一个理论上无条件安全的方案，但在安全性能并未显著下降的情况下，却实现了通信效率的极大提高。并且，此方案在身份认证和其他环节上对协议的安全性能作了保密加强的工作。效率的提高也为整个方案综合保密性能的加强提供了有力的支持。取得实用性和安全性的平衡也正是我们提出此方案的出发点和目的。BB84r在一定程度上解决了原协议在实际应用过程中效率不高的问题，也为量子密钥分配协议的发展完善提供了一种研究思路。 最后，本文简要介绍了其它几个主要的量子密钥分配协议，并将这些协议与BB84协议进行了对比分析。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1密码通信总论

1.2关于经典密码学

1.3关于量子密码学

1.4量子密码通信的研究现状

1.5本文的内容和结构

第2章量子力学引论

2.1预备知识

2.2量子力学四大假设

2.2.1状态空间

2.2.2演化

2.2.3量子测量

2.2.4复合系统

2.3量子测量与量子信息论

2.3.1投影测量

2.3.2 Heisenberg测不准原理

2.3.3不可克降定理

第3章密码学基础

3.1 密码学基本概念

3.2两大密码体制

3.2.1非对称(公钥)密码系统

3.2.2对称(私钥)密码系统

3.3关于密码体制的安全性

3.3.1密码分析攻击

3.3.2评判密码体制的标准

3.4密码学相关数学理论

3.5完美保密的一次一密乱码本

第4章BB84协议全面分析

4.1保密增强和信息调和

4.2量子密钥分配

4.3 BB84量子密钥分配协议

4.3.1有关协议的直观认识

4.3.2无噪声的BB84协议

4.3.3有噪声的BB84协议

4.4攻击策略与协议安全

44.1截听重发

4.4.2 中间基攻击

4.4.3最优化非相干攻击

4.4.4安全判据

第5章改进方案BB84r及其综合效能

5.1原协议的设率和安全问题

5.2改进方案BB84r

5.3原协议与改进方案对比分析

5.3.1 BB84r的改进之处

5.3.2 BB84r的安全性分析

5.3.3 BB84r的效率分析

5.3.4通信效率之于安全性的影响

第6章其它主要QKD协议

6.1 EPR协议

6.2 B92协议

6.3六态协议

6.4关于各协议的分析评述

总结和展望

参考文献

附录A量子力学与线性代数

致谢