半量子密钥分配协议设计与安全性分析

作     者：谢启明 

作者单位：南昌大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周南润

授予年度：2024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：量子通信 量子密码 半量子密钥分配 Brown态 量子比特效率 

摘      要：量子密钥分配协议是量子密码学中应用最为广泛成熟的协议,利用非正交量子态的不可区分性和未知量子态的不可克隆性,确保协议安全可靠,在理论上具备了无条件安全性,在金融、政府通信和军事通信等信息安全领域具有巨大的应用潜力。一般的量子密钥分配协议要求参与方需要具备完全的量子能力,然而,在实际应用场景中存在一定的困难。为了解决上述困难,密码学者们提出了半量子密钥分配协议,该类协议允许部分参与方不必具备完全的量子能力,在现实应用场景中更容易实现。因此,研究半量子密钥分配协议,对推动量子密码技术的实用化进程具有重要的意义。紧跟半量子密钥分配协议最新研究动态,本文提出了一个基于五粒子纠缠Brown态的认证半量子密钥分配协议和一个基于单粒子的中介半量子密钥分配协议,具体研究工作如下: 设计了一个基于五粒子纠缠Brown态的认证半量子密钥分配协议,该协议有效解决了已有认证半量子密钥分配协议存在的量子比特效率较低、通信双方预共享密钥较长的问题。这是五粒子纠缠Brown态在认证半量子密钥分配协议的首次应用。安全性分析表明,本协议可以抵抗模拟攻击、截获重发攻击、测量重发攻击、中间人攻击和纠缠测量攻击等。此外,在IBM Quantum Experience平台上对该协议进行了仿真,进一步验证了所提出的协议在现有量子技术条件下的可行性。 提出了一个基于单粒子的新型中介半量子密钥分配协议,该协议有效解决了已有中介半量子密钥分配协议中量子资源消耗较高的问题。协议中包括一个拥有完全量子能力的中介方TP和两个拥有半量子能力的参与者Alice和Bob。在TP的帮助下,Alice和Bob只需执行制备、发送和重新排序量子比特等简单操作,就可以实现量子密钥的共享。安全性分析表明,本协议可以抵抗测量攻击、伪态攻击和篡改攻击和纠缠测量攻击等。