连续变量量子确定性密钥分配协议研究

摘要

量子密码是将经典密码学与量子信息学相结合而产生地一种新的密码体制，其内容主要有量子密钥分配(quantum key distribution，QKD)、量子秘密共享(quantum secret sharing，QSS)、量子安全直接通信(quantum secure directcommunication，QSDC)、量子加密算法(quantum encryption algorithm，QEA)、量子身份认证(quantum identification，QI)以及量子签名(quantum signature，QS)等。与经典密码学不同，量了密码用量子的物理属性来保护信息。根据Heisenberg测不准原理和量子不可克隆定理，任何企图窃取秘密信息的攻击行为都会不可避免地引入额外的噪声，从而被合法通信者发现，这种对窃听的可检测性则保证量子密码可具有无条件安全性。
　　 量子密钥分配是量子密码研究的重点，它主要通过量子光信号实现。由于单光子信息源难以制备，信道容量普遍偏低，基于单光子的离散变量量子密钥分配方案已经难以满足越来越快的通信要求，而连续量子信号可以通过线性光学元器件产生，容易对其进行操作，同时具有较高的信道容量，可以很好解决即时通信的难题。但是现有的连续变量量子密钥分配方案大多都只能产生随机性密钥，且每次通信只能向一个通信方发送密钥，这既不能满足实际生活中对确定性密钥的需求，也不能充分发挥连续变量量子信号的优势。本文围绕连续变量量子密钥分配这一热点课题，同时借助量子秘密共享、量子安全直接通信等技术，设计出一些两方及多方连续变量量子确定性密钥分配方案，并从信息论角度分析了所设计协议的安全性。本文取得的研究成果如下：
　　 在量子密钥分配方面，根据确定性密钥分配的原理和机制，(1)基于量子远程通信的原理，借助双模压缩真空态和相干态，提出一个连续变量量子确定性密钥分配(continuous variable quantum deterministic key distribution，CVQDKD)协议，在利用零差探测法的情况下协议的量子信号利用率达到了100％，并从量子力学和信息论的角度详细分析了所提出CVQDKD协议的安全性；(2)采用连续变量量子GHZ态，提出一个三方量子确定性密钥分配(tripartite quantumdeterministic key distribution，TQDKD)协议，其中密钥由GHZ态的振幅产生，而相位可以用来验证信道的安全性，信息论分析结果表明，当信道传输效率大于0.5时，该协议可以同时向两个接收方安全传送确定性密钥，制备多重纠缠态后，该协议还能够扩展成多方量子确定性密钥分配协议。
　　 在量子秘密共享方面，根据量子秘密共享分发密钥的本质，设计出一个连续变量量子秘密共享(continuous variable quantum secret sharing，CVQSS)方案，可以用于分发确定性密钥。它以压缩态作为信息的载体，以量子远程通信来传送密钥信息，只需较低的压缩度即可实现安全的秘密共享。分析结果表明，当发送方将秘密信息传送给参与者后，只有所有参与者合作才可以恢复出经典的比特信息，任意单独的非法测量或是恶意窃听均不能得到任何有效信息。
　　 在量子安全直接通信方面，利用双模压缩态的纠缠特性，设计出一个连续变量量子安全直接通信(continuous variable quantum secure direct communication，CVQSDC)方案，并建立了理想情况和噪声环境下的安全性分析模型，它要求通信双方在正式通信之前必须进行身份认证，从而避免中间人攻击。研究表明，所设计方案既可用来安全直接通信，也可用来传送确定性密钥。