量子保密通信协议设计与分析

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1、摘要量子保密通信协议设计与分析摘要通信安全是信息社会的一个突出问题。传统密码体制从物理的角度来看，由于其对简单的窃听攻击无法检测，因而存在着本质上的缺陷，这一缺陷被证明可以用量子密码技术弥补。本文紧跟量子密码领域的前沿热点课题，围绕构建量子保密通信系统的目标，设计了一系列量子保密通信协议，并从安全性和效率等方面对所设计的协议作了深入的分析，包括量子加密算法，量子远程通信，量子密钥管理和量子身份认证四部分。本文主要取得了以下创新性成果：在量子加密算法方面，(1)基于量子计算的原理，一提出了一种加密经典二元信息的量子加密算法，并详细分析了算法的安全性。该算●法的优点是不需要

2、预先共享量子态，可在现有技术条件下实验实现。(2)通过将系统扩展、置换、量子错误和Hadamard变换引入加密过程，设计了一个保护量子比特的加密算法，并从多个方面分析了算法的安全性。该算法较为充分地利用了经典密码中的成熟技术，使得密文空间得到扩展。这两个量子加密算法均具有良好的扩展性和应用前景。在量子远程通信方面，提出了串联量子远程通信和并联量子远程通信两个级联量子远程通信方案，比较研究了串联量子远程通信和多次量子远程通信的异同，在并联量子远程通信的基础上提出了一个简单的量子秘密共享方案。级联量子远程通信延长了量子通信的距离，在量子保密通信中有着重要的应用，例如量子秘密

3、共享和量子身份认证。与多次量子远程通信相比，级联量子远程通信所需的局域量子操作较少，更容易在实验上控制和实现。此外，研究了量子同步通信问题，利用量子远程通信的特性，通过在不可靠信道上传递信息以建立可靠信道，设计了两军问题的量子同步通信协议，解决了两军问题。量子同步通信在连接的建立与释放、网络的拥塞控制和时延分析等方面有重要的应用价值。在量子密钥管理的研究中，(1)通过用量子信道替换量子远程通信中的经典信道，提出了一个独特的效率为100％的量子密钥协商协议。与现有量子密钥分发协议不同的是，该协议不需要随机数，密钥的随机性直接源于测量结果的随机性，消除了随机信号可能带来的安

4、全问题。(2)基于量子纠缠交换设计了一个量子密钥分发协议，该协议的突出优点是所需的量子局域操作和经典通信量较小。(3)提出了量子密钥移交的概念，量子密钥移交的目的是经由公共信道将一个确定的密钥移交给指定接收者，这个密钥在协议执行之前对发送看来说是确定的，对接收者来说是未知但唯一的。基于．EPR关联对的特性，通过测量和比较相结合的方式，首次设计了一个量子密钥移交协议。II摘要由于能将确定的密钥安全地移交给指定接收者，量子密钥移交在密钥管理中有重要的意义。(4)采用量子密钥移交协议中的方法，设计了两个多方量子密钥分发协议，这些协议以新的视角实现了多方之间的安全会议密钥分发，

5、该研究成果在群组通信安全和量子密钥管理方面有重要应用。在量子身份认证方面，(1)首次提出了两个跨中心的量子身份认证方案，一个基于量子远程通信和纠缠交换，另一个基于串联量子远程通信。这两个方案克服了简单的点对点的量子身份认证的缺点，通过跨中心的量子身份认证，延长了认证的距离，扩大了认证的范围，具有一定的灵活性和较好的实用价值。(2)详细分析了一次量子通信QKD和QA协议的安全性，指出了原协议存在的安全漏洞，协议能抵抗截取／重发攻击策略和纠缠攻击策略，但是不能抵抗纠缠，截取攻击策略，最后提出了两种改进的方法。关键词：量子密码，加密算法，量子远程通信，量子密钥分发，量子密钥移

6、交，量子秘密共享，量子身份认证ⅡI～垒!!咝DESIGNANDANALYSESOFQUANTUMCommunicationsecurityisakeyprobleminmodeminformationsociety．Physically,traditionalcryptographicsystemsexistintrinsicdrawbacksincetheyhave110capabilitytocheckthesimpleeavesdropping．Fortunately,itisproventhatthisdrawbackcallbeoffsetbyquantumc

7、ryptography．Focusing011thefrontierresearchsubjectsofquantumcryptography,inthedissertation，weproposedaseriesofquantumsecurecommunicationprotocolsinordertobuildaquantumsecurecommunicationsystemandanalyzedtheirsecurityandefficiencyindetail．Theseprotocolsinvolvequantumencrypt