量子密钥分配中后处理技术及诱骗态技术研究

摘要

在密码学领域，密码编码人员和密码分析人员之间的战争已经持续了数千年。生活在量子世界终将到来的时代，我们不能再将保密信息的使命交给那些依赖于计算复杂度的密码算法。毫无疑问，量子密钥分配是能够对抗量子计算机强大计算能力的最佳候选技术。基于量子力学的基本原理，并结合一次一密的加密方法，量子密钥分配提供了一种无条件安全的保密通信方式。
　　量子密码学中的一个重要原则就是永远不要低估敌人（窃听者）先进的设备和高超的智商，也就是说，在不违背量子力学的前提下，敌人几乎可以实现任何事情。理论上，即使面对如此强大的敌人，量子密钥分配的安全性也可以得到保证。但是实际上，理想的量子密钥分配协议的实现装置是不尽完美的，这使得敌人可以对量子密钥分配系统的实现装置展开各种各样的攻击。针对这种情况，目前主要有两种解决方法，一种是仔细分析实际装置的不完美性并给出相应的策略，另一种是设计不依赖于实现装置的量子密钥分配协议（设备无关量子密钥分配协议）。由于实现设备无关量子密钥分配协议时要面临强大的技术挑战，能够抵御测量端所有攻击的测量设备无关量子密钥分配协议成为学者们研究的焦点。但是测量设备无关量子密钥分配协议也存在其他方面的问题，因此对其改进版本的研究也吸引了不少学者的关注。
　　本文总结了本人在实际的量子密钥分配技术方面取得的一些研究成果，主要包括以下四个方面:
　　1.提出了一种高速的长度自适应的保密放大方案，通过构造出一种优化的长度自适应的乘法算法，并将该算法应用于保密放大的过程中，实现了高速的长度自适应的保密放大技术。该技术能够在有效降低有限长效应影响的同时胜任高速的量子密钥分配系统中保密放大的任务。
　　2.提出了一种延迟错误校验的方案，利用量子密钥分配系统中保密放大的主流方法是使用Toeplitz矩阵来实现的特点，通过执行具有略大压缩因子的保密放大，可以用该过程产生的额外密钥实现错误校验;并利用错误校验本质上与可信认证等价的性质，将错误校验过程与对Toeplitz矩阵的可信认证过程同时进行，实现延迟错误校验的方案。该方案不仅简化了后处理的流程，而且也减少了常规错误校验过程泄露的信息量。
　　3.利用诱骗态技术研究了基于CHSH不等式的测量设备无关量子密钥分配协议，该协议仅仅要求编码设备和测量设备是独立的，并且量子态是在二维Hilbert空间中制备的即可。模拟仿真结果表明该协议在现有的技术条件下是实用的。
　　4.利用诱骗态技术研究了基于不匹配基信息的使用qubit光源的测量设备无关量子密钥分配协议，该协议通过利用不匹配基矢的数据信息使得采用qubit光源的测量设备无关量子密钥分配协议在安全性上得到保障。模拟仿真结果表明该协议在目前的技术条件下是很有应用前景的。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

参考文献

第二章 量子密钥分配概述

2．1 BB84协议

2．2 量子密钥分配的安全性

2．3 量子密钥分配系统

2．3．1 偏振编码系统

2．3．2 相位编码系统

2．4 本章小结

参考文献

第三章 量子密钥分配中后处理技术研究

3．1 基础知识

3．2 对基

3．3 误码估计

3．3．1 随机抽样法

3．3．2 分组奇偶校验法

3．3．3 最大似然误码估计法

3．4 密钥协商

3．4．1 相关界限和定义

3．4．2 有边信息的信源编码

3．4．3 Cascade协议

3．4．4 低密度奇偶校验码

3．5 错误校验

3．6 保密放大

3．6．1 涉及到的乘法算法

3．6．2 构造优化的乘法算法

3．6．3 保密放大的性能效果及比较

3．6．4 不同平台上的模拟结果展示

3．7 可信认证

3．8 延迟错误校验

3．9 小结

参考文献

第四章 量子密钥分配中诱骗态技术研究

4．1 光子数分离攻击

4．2 诱骗态BB84 QKD协议

4．3 诱骗态MDI-QKD协议

4．4 基于CHSH不等式的MDI-QKD协议中诱骗态技术的研究

4．4．1 CHSH不等式

4．4．2 诱骗态CHSH-MDI-QKD协议

4．4．3 诱骗态CHSH-MDI-QKD协议的模拟仿真结果

4．5 基于不匹配基信息的Qubit-MDI-QKD协议中诱骗态技术的研究

4．5．1 诱骗态Mismatched-Qubit-MDI-QKD协议

4．5．2 诱骗态Mismatched-Qubit-MDI-QKD协议的模拟仿真结果

4．6 本章小结

参考文献

第五章 总结与展望

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果