基于认证的量子直接通信研究

摘要

量子安全通信是量子计算与量子信息理论的主要研究方向,它将保密通信体系建立在量子力学理论之上,为信息的安全传输提供了一种新思路和新方法。量子力学在研究微观粒子的状态和运动方式时发现微观粒子具有不可克隆、测不准和可相互纠缠等物理特性,这些特性可以确保利用微观粒子载荷信息的这种未来通信技术具有理论上的无条件安全性和对窃听的可检测性,从而具有更加完备的优良性能和光明的商业前景。自从震撼学界的BB84量子密钥分配方案提出以来,吸引了众多理论科学家和工程技术人员加入量子安全通信研究领域,并取得了大量令人瞩目的研究成果。
　　 目前量子安全通信的研究包括量子密钥分配QKD(quantum key distribution)、量子秘密共享QSS(quantum secret sharing)、量子直接通信QDC(quantum direct communication和量子隐形传态QT(quantumteleportation)等。与QKD、QSS等不同,量子直接通信QDC不需要通信双方事先共享密钥来加密信息,而是基于量子力学的基本原理,根据所需要传输的信息来编码、解码量子态从而完成信息的直接传输。显然,量子直接通信比量子密钥分配要求更高的安全性,由于它直接采用量子信道进行消息通信,被认为是真正意义上的量子安全通信。根据量子通信的研究现状及最新的发展动态,本文以量子直接通信作为研究对象,对其进行了深入的研究和探索。虽说量子直接通信的理论研究和工程实践已取得了一定的成果,但部分方案可能还存在一些缺陷,在安全性和效率方面还有较大的研究空间,对其进一步的改进和完善是一项不可或缺的工作。另外,当前QDC的研究主要集中于双方通信模式,而对于更具实用意义的三方乃至多方同时量子直接通信研究较少。因此,如何构建合理的编码机制和酉操作算子,进而实现高效安全的多方量子直接通信也是一个非常有意义,且亟待解决的问题。再则,与二维量子态的二维Hilbert空间不同,高维量子态对应的是多维Hilber空间,它具有更大信息容量,且体现出比二维量子系统更好的安全性。如何将二维量子直接通信向高维扩展是一件具有重要理论价值而又复杂的工作。
　　 本文正是基于以上这些问题,以提高协议安全性和通信效率为目的,对多类量子直接通信协议进行了深入的研究和技术上的改进;并探讨其在多方通信、高维量子态等模式下的实现。主要研究工作包括:
　　 (1)通过定义三维量子态及其酉算子、构建两组最大非正交三维量子态测量基,提出了一个基于互认证的三维单光子量子安全直接通信QSDC(quantum secure direct communication)协议,该协议可以很容易地进一步扩展到任意d维量子系统。该协议具有单光子通信经济实用并适合当前技术条件等优点;相比较其他二维单光子QSDC方案,该协议能有效抵抗各类窃听者Eve攻击和伪装者攻击,并且通信效率有显著提升。
　　 (2)基于互认证和诱骗光子检测,提出了一个改进型高效QSDC协议。我们通过限定Trent不参与直接通信,仅仅进行通信双方身份验证的方式,有效解决了不诚实Trent攻击等安全威胁,并以代价更低的Bell态替代原来的GHZ态,从而使得协议更经济可行。与同类协议相比,本协议通信效率也显得更高效。
　　 (3)提出了两种基于身份互认证的多方通信协议:一个多对一同时通信协议和一个为一对多量子广播协议。通过利用多粒子GHZ态纠缠特性,前者实现多个通信者同时向某个接收者发送消息;后者实现了某个发送者的消息广播。他们是双方通信向多方通信模式的扩展,具有较好的应用前景和实际意义。
　　 (4)提出了一个基于纠缠交换的高维确定性安全量子通信DSQC(deterministic secure quantumcommunication)协议。高维QDC是二维量子通信系统向高维通信系统的扩展和衍生,具有较高的理论价值。本协议整个通信过程不需要酉操作,通信双方根据高维贝尔测量的结果,通过简单模加、减运算即可完成信息的编、解码。另外,根据理论分析表明该协议可有效抵抗常见量子攻击,具有较好的安全性。
　　 (5)提出了两个基于非最大纠缠态(W态和cluster态)的确定性安全量子通信协议。首先,我们通过定义W数学形式和编码算子,基于3粒子W提出了一个确定性安全量子通信协议,在协议中,我们通过随机选择两组编码操作的方式,成功实现了一个3粒子W态可安全传输1比特信息。另外,我们以4粒子cluster为信息载体,提出了一个高效的DSQC协议,该协议采用两种不同初始态,通信方随机选择其一进行消息编码和粒子传送,从而达到1个cluster态传输2比特信息。为了抵抗假冒者攻击和执行窃听检测,两个协议我们均采用了一组诱骗单光子序列作为抽样检测粒子,且在该序列中编码身份信息,从而达到窃听检测同时验证通信者身份的双重效果。与其他同类相比较,所提出得两个协议安全性更好,其通信效率又有一定的提高。
　　 全文章节安排如下,首先在第一章简要回顾了QKD和QDC的发展现状,并于第二章介绍了量子通信的理论基础,包括量子力学基本原理和量子信息基本概念,它是人们理解和研究量子安全通信的理论依据和基础。第三章陈述和分析了量子认证相关知识,包括量子身份认证、量子签名和量子信道认证等。第四章以非纠缠态,即单光子为研究对象,我们通过分析高维单光子量子态的特性,设计高维量子态及其操作算子的数学形式,提出了一个基于互认证的高维单光子量子安全直接通信协议,并对其安全性和效率进行了简要分析。第五章以最大纠缠态(即二粒子Bell态、三粒子GHZ态和多粒子GHZ态)为研究对象,探讨其在量子直接通信中的应用,分别提出了以一个基于Bell态和超密编码的QSDC协议、一个基于Bell态纠缠交换的高维DSQC协议和两个基于多粒子GHZ态的多方量子直接通信协议(多对一同时量子直接通信和一对多量子广播通信),并分别对其安全性和效率进行了分析;第六章将以非最大量子纠缠态为目标,即选择W态和cluster态作为量子资源,设计了两个高效安全的确定性安全量子通信协议。最后一章对文章进行了概括性总结,并提出了以后进一步研究的方向和未解决研究难题。