量子随机性认证及量子密码实际安全性研究

摘要

量子力学与信息科学的结合产生了量子信息科学。量子信息科学在基本微观粒子层面上，研究信息的表示、存储、传输和计算。主要包括:量子随机数、量子通信（量子密码，量子隐形传态）、量子计算、量子模拟、量子度量学等。 量子随机数发生器(QRNG)基于量子力学基本原理产生随机数，真正具有不可预测性和不可复制性，也被称为真随机数。无论对于经典密码还是量子密码，安全的随机源都是密码系统的基石，QRNG因其真随机和高速率在密码系统中具有广泛应用。然而，在QRNG实际设备不可信或者不完美的情况下，则需要采用量子随机性认证方法，来估计实际QRNG协议或系统中的量子随机性。 量子密码，严格地说是量子密钥分发(QKD)，基于量子力学基本原理，提供理论上无条件安全的秘钥共享方式。这种无条件安全假设窃听者拥有很强大的物理操作能力和计算能力，甚至可以拥有量子计算机、量子存储等。然而，实际QKD系统却面临很多安全挑战。由于物理器件与理论模型存在差异，实际QKD系统的光源端、探测器端和编解码器等都存在诸多安全漏洞。 本人的研究主要关注与QRNG和QKD相关的安全问题。一方面，研究在设备不受信或不完美时，QRNG协议能够产生多少安全的真随机数，这部分工作偏重理论;另一方面，研究QKD实际系统安全性问题，实验验证其中的安全漏洞，这部分工作偏重工程。 本文总结了博士期间在量子随机性认证和QKD实际安全性方面取得的一些研究成果，主要包括以下几个方面: 1.我们研究了独立设备假设下基于维度目击的自检测QRNG协议。它主要解决设备不受信或不完美情况下的随机性认证问题。然而，前人工作中以维度目击值为变量的最小熵下界并不是紧的。我们通过引入拉格朗日乘子法来对平均猜测概率最优化问题进行分析，从而提出了一个更紧的解析形式最小熵下界。仿真结果表明，我们提出的最小熵下界可以实现更高的随机数生成速率。 2.研究了独立设备假设下基于直接优化的QRNG协议。前人工作中没有讨论最小熵估计的最优性问题，没有给出最优估计。因此，该场景下QRNG的实际性能仍然受到严重抑制。在这里，我们提出了一种简化的设备模型并证明其与原始问题等价，且据此提出了一种新的方法来最优化最小熵。受益于这种违反直觉的设备模型简化，我们可以利用混合整数规划有效地解决最小熵优化问题。此外，在对称观测概率约束下，我们推导出了解析形式的最小熵下界。仿真结果表明，我们的工作在这种情况下给出了最优的最小熵下界，且与前人工作相比，带来了显著的性能提升。 3.研究了QKD系统的实际安全性且实现了探测器致盲攻击实验演示系统。由于物理执行与理想模型存在差异，QKD系统的实际安全性遭受巨大威胁。商用QKD系统通常采用雪崩二极管单光子探测器来进行单光子探测，这是一种门控阈值单光子探测器。Eve采用致盲攻击可以完全控制这种探测器的响应，从而可以获取Alice和Bob全部的密钥而不被发现。对于这种基于致盲的探测器控制进行了可行性测评，且在工程上实现了探测器致盲+截取重发攻击实验演示系统。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1从量子力学到量子信息科学

1．2量子信息技术的主要应用

1．2．1．量子随机数

1．2．2．量子密码

1．2．3．量子计算

1．3论文主要内容

第2章量子随机数实现方案及随机性认证原理

2．1 设备受信量子随机数实现方案

2．2设备无关量子随机性认证

2．3半设备无关量子随机性认证

第3章独立设备量子随机性认证研究

3．1 凸优化理论及应用

3．1．1．凸分析基础

3．1．2．Lagrange对偶及最优解条件

3．1．3．量子信息中的应用

3．2基于维度目击的量子随机性认证研究

3．2．1．独立设备假设态制备测量系统的维度目击值

3．2．2．基于维度目击值的自检测QRNG

3．2．3．自检测QRNG的量子随机性的更紧下界

3．3基于直接优化的量子随机性认证研究

第4章量子密钥分发及其协议安全性

4．1．1．QKD协议分类

4．1．2．BB84协议

4．2 QKD协议的安全性

4．2．1．理想的攻击模型

4．2．2．BB84协议的安全性证明

4．2．3．GLLP公式和诱骗态

4．3 QKD系统

4．3．1．QKD物理器件

4．3．2．偏振编码QKD系统

4．3．3．相位编码QKD系统

第5章量子密钥分发实际系统安全性及实验演示系统

5．1 QKD实际系统安全性

5．2基于致盲的探测器控制原理

5．3探测器致盲攻击测评及实验演示

5．3．1．探测器致盲攻击测评系统

5．3．2．探测器致盲攻击实验演示系统

第6章总结与展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果