基于混合纠缠和高维量子态的量子密钥分配协议设计与分析

作     者：闫星宇 

作者单位：南昌大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周南润;王允乾

授予年度：2020年

学科分类：11[军事学] 1105[军事学-军队指挥学] 07[理学] 0839[工学-网络空间安全] 08[工学] 110505[军事学-密码学] 070201[理学-理论物理] 110503[军事学-军事通信学] 0702[理学-物理学] 

主      题：量子密钥分配 随机混合量子信道 量子傅里叶变换 高维量子态 诱骗态 安全性证明 

摘      要：不断探索量子密钥分配方案的优化方法,设计高效率的量子密钥分配协议并从理论上充分证明协议的安全性,对建立完备的量子保密通信理论体系、推进未来量子密码实用化发展尤为重要。针对现有量子密钥分配方案中量子纠缠资源利用率不高、密钥分配速率受限等缺陷,本文分别基于混合量子纠缠信道和高维量子Hilbert空间设计了两种量子密钥分配方案。论文的主要研究工作如下:为了提高传统量子密钥分配系统中纠缠资源的利用率,提出了一种基于EPR态和GHZ态的随机混合量子信道的量子密钥分配方案。该方案利用量子密集编码将EPR态和GHZ态整合在一种编码框架中完成密钥分配。建立的随机混合量子纠缠信道具有灵活性、经济性和机密性,信息的传递通过在量子信道中来回发送两种纠缠资源的单粒子来实现。该方案中使用了多轮窃听检测和诱骗态方法来保证协议的安全性。在理想无噪信道中,该方案能够抵抗截获-测量-重发攻击和纠缠粒子攻击,在实际有噪信道中,方案的安全性需要使用纠缠提纯和量子保密增强等技术加以保障。为了打破传统量子密钥分配方案信息效率的限制,设计了一种基于量子傅里叶变换的高维量子密钥分配方案,该方案进一步提高了密钥分配效率,并增大了信道传输容量。该方案使用量子傅里叶变换和量子受控非门将密钥信息编码在生成的高维量子纠缠态的相位中,在执行完相应的逆变换操作后通过单粒子测量来获取密钥信息。协议采取高维量子态编码密钥信息,在相同的通信速率下单轮通信能够产生更多的密钥比特。此外,该方案利用诱骗态方法保证粒子传输的安全性,文中分析了协议的密钥率和在特殊攻击策略下协议的安全性,包括截获-测量-重发攻击、纠缠粒子攻击、光子数分离攻击和侧信道攻击。