单光子量子安全通信技术研究

摘要

量子通信、量子信息学是近30年发展起来的新兴交叉学科，是量子力学、通信理论以及计算机科学相结合的产物。量子通信由于其具有的无条件安全性和对窃听的可检测性这两大特征而得到了广泛的重视，成为关乎国家安全的战略性新兴产业，并已经取得快速的发展。目前量子通信已演化出量子密钥分发、量子直接通信、量子秘密共享、量子认证、量子密集编码、量子隐形传态和量子纠缠等重要研究分支以及交叉研究领域。本文主要对量子直接通信、量子密钥约定、量子私有信息检索和多用户量子通信进行研究。论文的主要研究成果及创新点如下：
1. 在量子直接通信方面，研究了典型的基于纠缠对的“乒乓”协议以及基于单光子的量子安全通信协议，分析了窃听策略及影响量子安全直接通信安全性的因素。结合测量基校正和量子安全直接通信，提出了基于单光子的随机多元基量子安全直接通信方案。随机多元基量子直接通信协议中，发送方首先利用随机序列对信息序列进行加密并插入校验序列，在发送时采用随机多元基，接收方首先对收到光子进行延迟，等待发送方公布编码基后再进行测量。通过延时方案，解决了多态协议匹配率低的问题，传输效率高，保密性强。多元基收发方案简单，接收端不需要进行存储和重新排序，易于实现。
2. 在私有信息检索方面，分析了传统的私有信息检索方案以及 Iordanis 等基于传统算法的量子私有信息检索方案。这些方案大部分基于半诚实模型，模型假设各参与方都是诚实的，会严格正确地执行协议，只是协议执行完后，各参与方会试图从中间结果中挖掘对方的隐私。本文提出用户具有恶意的非诚实合作模型，并在此模型下针对目前的量子私有信息检索方案不宜实施的特点，提出基于单光子偏振旋转的量子私有信息检索实验方案，该方案不需要量子存储器，便于硬件实现。协议采用量子态作为有效的检测机制，是无条件安全或者说是信息论安全，并且能够有效检测双方的不诚实举动。
3. 在密钥交换和密钥约定方面，分析了基于 BB84 的两方密钥约定协议的安全性和公平性。针对该协议需要基同步的问题，提出了盲极化基的单光子量子密钥交换协议，协议不需要进行复杂的基同步，同时针对PNS攻击、木马攻击等攻击策略都进行了安全防范，可以有效抵抗窃听重发攻击、量子木马攻击、附加粒子攻击以及最优化非相干攻击，并且保持了公平性。此外，基于量子纠缠交换提出了具有身份验证的两方密钥交换协议，并证明了协议的无条件安全性。
4. 在多用户量子通信方面，分析了目前典型的多用户量子通信网络，探索了多用户量子网络拓扑模型。提出了网络节点的最优距离、中继线优化规则等网络设计方案。并针对目前的量子保密电话，设计了终端呼叫协议、接入协议、路由 协议，并基于OPNET仿真平台建立仿真模型，进行了协议验证和仿真。该模型和算法可以为今后量子通信网络的构建和性能评估提供依据。