基于纠缠量子安全通信理论研究

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1、THEORETICALSTUDYONENTANGLEMENT-BASEDQUANTUMSECURECOMM烈ICATIONADissertationSubmittedtoSoutheastUniversityFortheAcademicDegreeofDoctorofEngineeringBYLIUZhi—haoSupervisedbyProf．C皿NHan．VCUSchoolofComputerScienceandEngineeringSoutheastUniversityJanuary2013东南大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究

2、成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：日期：20／,；．1、碑东南大学学位论文使用授权声明东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布(包括以电子信息形式刊登)论文的全部内容或中、英文摘要等部分内

3、容。论文的公布(包括以电子信息形式刊登)授权东南大学研究生院办理。研究生签名：导师签名：2Df事．／'z牛摘要不同于基于没有被证明的数学困难性问题的计算复杂度的经典安全通信，量子安全通信将安全通信建立在量子力学的客观规律之上，理论上具有无条件安全性和窃听的可检测性，为信息的安全传输提供了新的思路和方法，被视为安全通信最有发展潜力的方向，具有广阔的应用前景。随着现代计算机计算能力的不断提高，特别是超级计算机和并行计算机的快速发展，基于计算复杂性假设的对称和非对称经典密码体系受到了严重挑战。随着新的算法如量子算法的提出，则加重了这一威胁。幸运的是，现代量子力学的发展和应用为信息传输提供新的安全保

4、障。自从1984年第一个量子安全通信协议问世以来，众多科研人员对量子安全通信保待着极大的兴趣和信心，试图将更多安全通信问题量子化，从而实现无条件安全的量子通信。正是基于此，本文对量子安全通信进行了一定探索和研究并做出了阶段性贡献。以保障安全性、提高通信效率、降低复杂度和实现难度、简化操作等为目的，利用纠缠这种特殊的量子资源和现象，对量子安全通信进行了较为深入地理论研究。改进了三个已有量子安全通信协议的安全性漏洞，设计了多个量子安全通信协议或模型，探讨了多方、高维(高元)量子安全通信模式。提出了量子同时秘密分发概念。具体来说主要工作包括：(1)提出了能成功窃听基于非最大纠缠态的双向量子密码协议

5、(STF-B协议)中确定性量子密钥比特的充分必要条件。针对该协议存在的安全性漏洞，提出一种改进策略。(2)在设计了构建和测量一类四量子比特态的量子逻辑电路框架的基础上，提出了最优超密度编码量子安全直接通信(QSDC)协议，并详细证明其安全性。由于使用了超密度编码思想，所以该协议具有最大资源容量和最高通信效率。进一步，提出了能实现最优超密度编码量子安全直接通信的充分必要条件，为设计该类协议提供理论支撑。(3)在详细探究高维贝尔态及其纠缠交换的性质的基础上，提出了具有一般性和通用性的无酉操作确定性安全量子通信(DSQC)协议。通信双方根据高维贝尔测量的结果，通过经典模运算即可完成信息的编、解码，

6、这极大的简化了操作和降低了实现难度和成本。构造了两组相互无偏基，并根据其互补性质，提出了检测高维量子信道是否安全的方法。详细分析了几种常用攻击策略，并计算了这些攻击所引起的错误率，进而推导出通信双方需设定的错误率阈值上界。(4)提出了基于测量和经典操作的确定性安全量子通信(MCO-DSQC)模型或协议。在MCO-DSQC模型或协议中，经典操作代替酉操作实现信息的编码和译码，所以其与传统模型或协议相比实现难度和成本更低，鲁棒性更强。另值得一提的是，在基于单粒子的MCO-DSQC模型中，信息编码置于量子态传输之后，这与传统的通信模式截然相反，打破了传统思维。(5)提出无酉操作的确定性多方量子秘密

7、共享(DMQSS)协议。仅需执行高维贝尔测量，所有代理商合作并根据经销商公开的经典信息即可恢复原始的秘密消息，表明在量子秘密共享中，酉操作并不是编码确定性消息的必要条件。所提协议由于没有使用酉操作，故实现难度和成本低，鲁棒性强。此外，它由于利用高维贝尔态作为信息载体。故还具有一般性、高资源信息容量等特点。东南大学博士学位论文(6)分析了基于Z-型纠缠态的两量子秘密共享(QSS)协议，指出该两协议中共享的秘密能