基于多路径系统的量子密钥分发与量子信息传输

摘要

加密技术是保护军事、机要、银行、公司和私人信息传递安全性的重要手段。由于因特网、数字现金、网上银行等的迅猛发展与推广,信息交换的安全性显得日益重要,应用范围也日益广泛。黑客的窃听和病毒攻击对信息安全是个巨大的威胁,并成为了信息战的重要手段。但无论是理论上安全的一次一密私钥密码体制,(Vcrnam)加密术,还是目前被广泛使用的两种公钥密码体制,Diffie—Hellman加密术和RSA加密术,都分别存在实际应用方面与安全方面的问题。尤其是Shor。量子算法的问世从理论上彻底打碎了诸多公钥密码体制的安全性。经典加密术已不能满足对信息安全日益提高的要求,而以量子力学基本定理为基础的量子密码术,以全新的方式解决信息的安全交换,为信息加密技术提供了空前的超级工具。目前而言,量子密码体系的理论研究已经比较成熟,实验上也取得了巨大成功,甚至出现了一些可局部应用的初级产品,但由于实际技术条件的限制,这一方面的研究还远没有完结。其最终目的是为了建立一个在现有技术条件下实现超远距离信息绝对安全共享的商性能量子密码通信体制。已有的量子密码体系均是利用具有量子效应的物理资源在远距离通信双方一次或多次传输来完成信息的交换。本文提出一些新的通过量子资源在通信双方建立起来的多个量子信道(多路径)的传输实现量子密钥的分发、量子信息的直接传输方案,并研究了这些方案的性能问题,取得了一系列具有创新意义的结果。主要内容如下:
　　 第一章介绍了量子密码学的基本知识框架,包括密码学所包含的主要的研究方向、量子密码学产生的历史背景、几个著名的量子密钥分发协议、量子密码学的一般化的物理图景。
　　 第二章中,首先结合原始BB84协议的主题内容介绍了量子密钥分发系统的安全分析理论,具体给出了一些常见窃听手段对系统安全性能的影响。并进一步介绍了基于单光子与非单光子源的BB84协议的无条件安全性证明理论。接着介绍了最贴近实际的量子密钥分发系统的物理模型,并对这一模型下的各种有应用前景的方案及其安全性分析理论作了详细的论述。
　　 第三章则介绍了量子密钥分发的另一重要分支,也称量子直接通信的基本面貌。并对这一分支的开创性工作及其发展作了简要描述,介绍本文的工作。
　　 第四章提出了一个改进型的“4+2”单向两路径密钥分发方案。具体导出了与该方案对应的压缩模型,并在此基础上研究了有限密钥情境下该方案的无条件安全密钥率下限KL,得出了KL与系统各重要参数的关系及其相应数值解。
　　 第五章提出了一个用光子纠缠对通过两量子信道的双向传输实现具有自然随机性的两比特量子密钥异地分发方案。由于该方案的密钥分发’过程具备即使是合法通信方也无法预先确定每次分发的密钥结果的性质,因而使得系统的安全性能优越于类似BB84协议的准备测量模式的量子密钥分发方案。
　　 第六章则提出了一种通过把特殊的离散算法引入到量子态中以实现单向远距离量子信道中信息的直接安全传输方案。分析了基于该算法下方案在有噪声信道和无噪声信道两种情况下的安全性能问题。
　　 第七章提出了用“路径-自旋”纠缠量子信道实现三粒子W态及任意粒子的GHZ态的量子信息远距离实时直接传输,并研究了信道“白噪声”对信息传输的影响。
　　 第八章对全文进行了总结与展望。

目录

文摘

英文文摘

第一章 量子密码术基础

§1.1密码学

§1.2量子密码术

§1.3密码分析学及量子密码分析学

§1.4量子保密通信系统的一般化图景

第二章 量子密钥分发的安全性分析

§2.1安全性证明释义

§2.2常见的窃听及其对安全性的影响

§2.2.1最简单的截听重发

§2.2.2集成攻击

§2.2.3单光子协议的安全性证明

§2.3非理想单光子源的BB84协议的安全性证明

§2.3.1 GLLP安全性分析理论

§2.3.2 GLLP与Lütkenhau安全分析理论的对比

§2.4最具应用前景的量子密钥分发系统

§2.5量子密钥分发系统物理模型及其性能问题

§2.5.1弱相干光源

§2.5.2信道及探测系统

§2.6实际量子密钥分发系统的性能问题

§2.7诱骗态理论

§2.7.1诱骗态方案提出的动机

§2.7.2诱骗态方案的安全性证明

§2.7.3具有应用价值的诱骗态方案

§2.7.4单诱骗态方案

§2.8有限密钥情景下的量子密钥分发

§2.9有限密钥安全分析理论

§2.9.1 vacuum+weak诱骗态方案的有限密钥安全理论

§2.9.2非诱骗态方案的有限密钥安全分析理论

第三章 量子信息直接传输

§3.1量子直接安全通信

§3.1.1基于纠缠资源的量子直接安全通信

§3.1.2基于单光子资源的量子直接安全通信

§3.2量子态的直接传输

第四章 通过有限个较强相干光信号实现的量子密钥分发方案

§4.1引言

§4.2非对称准备-测量模式的“4+2”量子密钥分发方案

§4.2.1改进型“4+2”协议的核心内容

§4.2.2方案的核心安全要素

§4.3安全密钥率

§4.3.1压缩模型

§4.3.2有限密钥分析

§4.3.3系统安全密钥率

§4.4小结

第五章 用光子纠缠对实现具有自然随机性的两比特密钥分发方案

§5.1引言

§5.2作为准备阶段的POVM测量的实现

§5.3具有自然随机性的两比特的密钥分发-投影测量阶段

§5.4安全性证明

§5.4.1角色扮演攻击

§5.4.2逐个攻击及集成攻击

§5.5小结

第六章 把离散算法引人量子态来实现秘密信息共享的方案

§6.1一种离散算法及其性质

§6.2方案的具体步骤

§6.3方案的安全性证明

§6.3.1无噪声信道中量子公钥便笺簿及其相应密文的安全性

§6.3.2在有噪声量子信道中,方案的安全性

§6.4角色扮演攻击

§6.5小结

第七章 用自旋-路径纠缠信道实现三粒子W态及任意粒子GHZ态的传输

§7.1三粒子W态的传输

§7.2信道白噪声对信息传输的影响

§7.3小节

第八章 总结与展望

参考文献

攻读博士学位期间完成的论文

致谢