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基于非理想光源的量子保密查询协议研究

基于非理想光源的量子保密查询协议研究

作者：夏霜重庆大学

学位级别：硕士

随着信息化的快速发展,量子计算理论和实验的进展对基于计算复杂性假设的经典密码协议提出了挑战。因此,安全性基于物理学定律的量子密码协议受到了越来越多的关注。其中,量子密钥分发协议经过充足的实验发展,已经在实践中被用于保护信... 详细信息

随着信息化的快速发展,量子计算理论和实验的进展对基于计算复杂性假设的经典密码协议提出了挑战。因此,安全性基于物理学定律的量子密码协议受到了越来越多的关注。其中,量子密钥分发协议经过充足的实验发展,已经在实践中被用于保护信息安全。除量子密钥分发协议以外,基于量子密钥分发的量子保密查询是另一种具有实用潜力的协议,此类协议是量子密码学的重要内容,是解决对称保密信息获取问题的量子方案,但是缺乏实际的安全性分析。基于量子密钥分发的量子保密查询协议还没有准备好走向实际应用,其中一个主要原因是许多理论上的量子密码协议需要单光子光源,而在如今的量子通信器件是不可能实现的。本文主要以量子保密查询协议为研究对象,在非理想光源条件下,根据多光子信号对量子保密查询协议过程中的威胁,分析了基于量子密钥分发的量子保密查询协议的安全性,并提出一种适用于量子保密查询协议的诱骗状态方法。在此基础上,本文还分析了四种非理想光源在诱骗态量子保密查询协议的表现并进行比较。本文涉及的具体内容如下。首先,研究了具有弱相干态光源条件下的基于量子密钥分发的量子保密查询的安全性。结果表明,多光子信号对量子保密查询协议参与者的隐私构成了严重威胁。根据这一结果提出了一种适用于量子保密查询协议的诱骗状态方法,可以帮助诚实的参与者利用多光子信号检测攻击,并改进了原协议的经典后处理过程以防御此类攻击。分析表明,提出的诱骗态方法显著提高了弱相干态光源条件下量子保密查询协议的安全性,解决了量子保密查询实际应用的一大障碍。最后在弱相干态光源条件基础上,以自发参数下转换、奇相干态、单光子相干态、相干态叠加四种非理想光源为研究对象,根据接收方获得的多光子信号比例以及空信号比例,分析每一个光源在诱骗态量子保密查询协议的效果。结果表明,在有限数据情况下,奇相干态和单光子相干态光源能够有效提高诱骗态量子保密查询协议的实际安全性。

关键词：量子密码量子密钥分发诱骗态量子保密查询弱相干态光源

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量子保密查询协议的设计与分析

量子保密查询协议的设计与分析

作者：刘志超北京工业大学

学位级别：硕士

量子密码学是伴随着量子计算发展兴起的一个新领域,是经典密码学与量子力学结合的产物。量子计算拥有强大的运算能力,攻击者利用其能够在短时间内解决经典密码学所依赖的特定的数学难题与计算复杂性假设,进而得到秘密消息。为了解决经... 详细信息

量子密码学是伴随着量子计算发展兴起的一个新领域,是经典密码学与量子力学结合的产物。量子计算拥有强大的运算能力,攻击者利用其能够在短时间内解决经典密码学所依赖的特定的数学难题与计算复杂性假设,进而得到秘密消息。为了解决经典密码学被量子计算攻击破解的问题,量子密码学成为近年来的研究热点并衍生出众多分支,包括量子密钥分发、量子签名、量子不经意传输以及本文所研究的量子保密查询等。量子保密查询(Quantum Private Query,QPQ)是量子密码学应用中的一个重要分支,旨在解决用户与数据库之间的保密查询安全问题。在实际中,可将QPQ协议应用在商务交易、内容保密查询等场景,以保护通信双方的隐私安全。随着量子密码技术的快速发展,各种新型的攻击手段也随之出现,如虚假纠缠态攻击、Joint-Measurement(JM)攻击等。因此,针对现有QPQ协议中存在的不足,研究更加安全、实用、高效的QPQ协议非常有必要。本文针对现有QPQ协议中存在的不足,提出了一种新颖的经典后处理算法和两种鲁棒的量子保密查询协议,并从理论上分析证明了协议的安全性和可行性。具体内容如下:(1)提出了一种新颖的基于量子密钥分发(Quantum Key Distribution,QKD)的量子保密查询的经典后处理(Classical Post-Processing,CPP)算法,该CPP方案在很大程度上降低了通信双方的复杂度,并在安全性方面有了极大的提高。此外,我们的方案可以有效地实现多位查询。(2)提出了一种新颖的可以抵制JM攻击的量子保密查询协议。该协议是一种全新的单向QPQ协议,使用了一种特殊的后处理算法能够强有力的抵制了JM攻击,从而保证了安全性。此外,该协议实现了完美的用户隐私和更低的通信复杂度。(3)提出了一种鲁棒的基于四量子退相干无关态(Decoherence-Free,DF)技术的QPQ协议。该协议与现有的可抗信道噪声的QPQ协议相比,用户Alice只需要一个可替代的固定单量子比特测量序列即可测量接收到的DF态,这一特性使得协议更易于利用当前技术来实现。此外,为保持数据库灵活查询的优点,我们重构了Alice的测量算子,以便Alice只需要一个受条件控制的单量子比特测量序列即可进行测量。

关键词：量子密钥分发量子保密查询经典后处理算法 JM攻击联合噪声

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量子保密查询协议的设计与分析

量子保密查询协议的设计与分析

作者：黄浩东南大学

学位级别：硕士

经典密码学和量子物理学构成量子密码学。由于经典密码存在被量子计算机破解的风险以及量子密码在理论上可以达到无条件安全的优点,因此量子密码成为近年来的研究热点。量子保密查询(Quantum Private Query,简称QPQ)协议是一种量子密码... 详细信息

经典密码学和量子物理学构成量子密码学。由于经典密码存在被量子计算机破解的风险以及量子密码在理论上可以达到无条件安全的优点,因此量子密码成为近年来的研究热点。量子保密查询(Quantum Private Query,简称QPQ)协议是一种量子密码协议,它要求在查询数据库的过程中确保数据库所有者和用户双方隐私的安全。现有的大部分QPQ协议只能在无噪声的理想环境中运行。针对实际应用中的集体旋转噪声和集体消相干噪声,学者利用退相干无关态(Decoherence-Free State,简称DFS)在集体噪声中保持不变的特性提出了抗集体旋转噪声QPQ协议和抗集体消相干噪声QPQ协议。针对现有协议的不足和缺陷,本文提出了两个新颖的QPQ协议,并从理论上证明了所提协议的安全性和实用性。具体内容如下:(1)针对实际应用场景中的集体旋转噪声以及现有的抗集体旋转噪声QPQ协议在安全性和实用性上存在的不足,本文提出一个基于非正交的四量子比特DFS的抗集体旋转噪声QPQ协议(Quantum Private Query Against Collective-Rotation Noise Based on Non-Orthogonal four-qubit Decoherence-Free State,简称NOQDFS-CRN-QPQ)。NOQDFSCRN-QPQ协议有如下优点:1)可以完美应对确定态区分测量攻击,解决了现有的一些抗集体旋转噪声QPQ协议在应对这种测量攻击时存在安全漏洞的问题,具有更强的数据库安全性。2)本协议中用户所使用的测量基为直角基或对角基,易于实现,解决了现有的单向抗集体旋转噪声QPQ协议中用户所使用的测量基在当前技术条件下不易实现的问题。(2)实际应用场景中除了集体旋转噪声还有集体消相干噪声,且现有的抗集体旋转噪声QPQ协议不能抵抗集体消相干噪声,因此有学者提出了抗集体消相干噪声QPQ协议,但这些抗集体消相干噪声QPQ协议在通信效率上存在不足,因此本文提出一个基于两组非正交的四量子比特DFS的抗集体消相干噪声QPQ协议(Quantum Private Query Against Collective-Dephasing Noise Based on Two Sets of Non-Orthogonal four-qubit Decoherence-Free State,简称TSNOQDFS-CDN-QPQ)。本协议不仅可以完全确保数据库安全和用户隐私,还具有更低的通信复杂度。低通信复杂度主要体现在:1)本协议只需要使用一次量子信道;2)与现有的单向抗集体消相干噪声QPQ协议相比,本协议中用户获得非对称密钥确定性结果的概率(1/4)小于现有协议相应概率(1/2),因此在相同的数据库规模N下,本协议所需传输的原始密钥串的数量更少。特别地,本文可以在NOQDFS-CRN-QPQ协议和TSNOQDFS-CDN-QPQ协议的基础上提出一个能够同时抵抗集体旋转噪声和集体消相干噪声的QPQ协议,它将弥补现有的抗集体旋转噪声QPQ协议和抗集体消相干噪声QPQ协议不能同时抵抗这两种噪声的不足。

关键词：量子保密查询退相干无关态集体旋转噪声集体消相干噪声

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量子保密查询协议理论研究

量子保密查询协议理论研究

作者：郭学沛北京工业大学

学位级别：硕士

经典密码学以数学理论和香农的保密通信理论为基础,安全性多依赖某些计算复杂、难以在多项式时间内解决的数学难题。然而,随着量子计算和量子计算机的研究,经典密码学的安全性受到了严峻的挑战,而量子密码学的重要性却越来越受到社会各... 详细信息

经典密码学以数学理论和香农的保密通信理论为基础,安全性多依赖某些计算复杂、难以在多项式时间内解决的数学难题。然而,随着量子计算和量子计算机的研究,经典密码学的安全性受到了严峻的挑战,而量子密码学的重要性却越来越受到社会各界的重视。量子密码学的安全性基于量子物理原理,理论上可以实现无条件的安全性,因此吸引了多方科研人员的注意。量子密码学已衍生出了量子密钥分发、量子秘密共享、量子安全直接通信、量子不经意传输、量子比特承诺、量子保密查询、量子签名、量子密钥协商等重要分支。量子保密查询(Quantum Private Query,QPQ)是对称私有信息检索(Symmetrically Private Information Retrieval,SPIR)问题的量子解决方案。QPQ旨在解决用户和数据库拥有者之间的保密查询问题,在完成查询的同时也保护协议参与双方的安全性。随着量子技术的飞速发展,QPQ在军事、商业、信息检索等方面发挥着越来越重要的作用。然而,量子资源的稀缺性、量子设备的缺陷以及各种攻击手段层出不穷,使得研究更安全、高效、实用的QPQ协议显得尤为重要。针对现有的QPQ协议的不足,本文提出了一种改进的经典后处理算法、一种半设备无关的QPQ协议以及一种基于连续变量的QPQ协议。具体内容如下:(1)针对现有的d维QPQ协议的不足,提出了一种新颖的经典后处理(Classical Post-Processing,CPP)算法,解除了维度对用户单次查询可获得的信息量大小的限制。同时本文使用了全新的编码方式,降低了对数据库拥有者Bob的量子能力的要求,从而提高了协议的效率和实用性。(2)提出了一种新颖的半设备无关的QPQ协议。该协议采用二维量子目击违反的思想来保护数据库的安全性,唯一的假设是协议中所使用的量子系统的维度是有界的。相较于已有的基于纠缠的设备无关的QPQ协议,本协议基于“制备-测量”模式,未使用纠缠态,因此更易于测试和实现。(3)提出了一种基于连续变量的QPQ协议。现有的协议多基于离散变量,但完美的单光子在实际环境中难以制备,因此协议的安全性难免受到影响。本协议以相干态为载体,对原有的基于离散变量的QPQ协议进行改进,保持其性能的同时提高了协议的效率和实用性。本文对所提出的协议进行了安全性分析,证明其对用户隐私和数据库隐私都起到了很好的保护作用。

关键词：量子保密查询量子密钥分发经典后处理算法设备无关连续变量

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抵抗联合测量攻击的量子保密查询协议的分析

抵抗联合测量攻击的量子保密查询协议的分析

作者：武亚丽北京邮电大学

学位级别：硕士

随着社会进入信息时代,人们对信息的保护变得越来越重视,使得密码的应用也变得越来越广泛。随着传统密码、量子力学以及量子密码的发展,量子保密查询(Quantum Private Query,QPQ)成为量子密码协议的一个重要的分支。自从2008年Giovanne... 详细信息

随着社会进入信息时代,人们对信息的保护变得越来越重视,使得密码的应用也变得越来越广泛。随着传统密码、量子力学以及量子密码的发展,量子保密查询(Quantum Private Query,QPQ)成为量子密码协议的一个重要的分支。自从2008年Giovannetti等人提出第一个QPQ协议开始,人们已经提出了很多QPQ协议。基于量子密钥分配的QPQ协议因为其实用性吸引了众多学者的关注,但其中部分协议至今依然存在着一些安全问题。例如通过使用量子存储,联合测量(Joint Measurement,JM)攻击严重威胁到QPQ协议的安全性。本文针对抵抗JM攻击的QPQ协议进行了研究,分析了两个通过不同方式抵抗JM攻击的QPQ协议的安全性,分别给出了一种可以攻破它们的新型JM攻击策略。具体来说,通过分析Yang等人设计的经典后处理方法,得到该经典后处理方法不仅在一般的个体攻击下会泄露一些数据库条目,而且不能抵抗JM攻击的结论。由于行向量T设置为[t1t2…tk],而tj大小不一致,通过调整行向量T的值,Alice可以在个体攻击中非法获得额外的数据库条目信息。Alice还可以执行如下JM攻击:制备初始态|Ψ>,将|Ψ>的第一个粒子发送给Bob,把第二个粒子保存在自己手中,到协议快结束时,Alice就能知道该对自己保留的哪些粒子进行联合测量来成功实施攻击。通过分析Zhou等人设计的双向通信QPQ协议,得到该协议不能抵抗JM攻击的结论。尽管该协议是Alice发送、Bob测量并返回量子态,但由于返回的量子态携带了生密钥比特的信息,而且Alice知道初始量子态的信息,因此Alice在收到粒子时知道应该对哪些粒子进行联合测量,进而成功实施JM攻击。在该攻击中,Alice甚至不需要使用量子存储。基于以上分析我们发现双向量子态传输并不是抵抗JM攻击的充分条件。Alice要想执行JM攻击,必须同时满足以下两个条件:(1)Alice手中必须有携带生密钥信息的载体粒子;(2)Alice需要知道对哪些粒子进行联合测量。所以抵抗JM攻击的真正有效的方法就是割裂这两个条件,让Alice不能同时拥有载体态和获知该对哪些粒子进行联合测量。

关键词：量子密钥分发量子保密查询联合测量攻击

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抵抗联合测量攻击的量子保密查询协议

抵抗联合测量攻击的量子保密查询协议

作者：王莹北京邮电大学

学位级别：硕士

量子密码学是一类建立在量子力学基本原理上的密码学的分支。不同于经典密码体系的是,量子密码的安全性并不依托于计算复杂性,而是由物理学的原理来保证。目前,量子密码学已经成为了密码体系中的研究热点,其中除了量子密钥分发（QKD）... 详细信息

量子密码学是一类建立在量子力学基本原理上的密码学的分支。不同于经典密码体系的是,量子密码的安全性并不依托于计算复杂性,而是由物理学的原理来保证。目前,量子密码学已经成为了密码体系中的研究热点,其中除了量子密钥分发（QKD）被广泛研究,基于QKD的量子保密查询也是近年来的热点内容。本论文是量子保密查询协议在抵抗联合测量攻击方面的理论性研究。对于大多数基于QKD的量子保密查询难以抵抗联合测量攻击的问题,论文提出了两个新的双向通信的量子保密查询协议,并分析了协议的安全性和性能。这两个协议不仅在抵抗联合测量攻击方面表现良好,其次,特定的不经意密钥的生成过程克服了双向通信传输距离不理想和难以抵抗特洛伊木马攻击的缺点。协议一为用户Alice设计了特定的“接收→测量→重新制备→发送”过程。该过程有效防止了不诚实的Alice存储量子态而不执行测量,在协议最后进行联合测量攻击,从而非法窃取数据库Bob的信息。此外,由于每个光子仅从一方传递到另一方,该协议用户Alice与数据库持有者Bob之间的传输距离是令人满意的,并且能够有效的抵抗某些特洛伊木马攻击。协议二设计了一种新颖的检测步骤,“Alice测量→重新制备→分组位移→Bob检测”的步骤使得协议在抵抗联合测量攻击方面有着良好的表现,并克服了双向通信的缺点。另一方面,由于密钥编码在测量基上,协议二可以根据不同的数据库大小灵活选择多组测量基,调节协议达到最优的通信效率。

关键词：量子保密查询双向通信联合测量攻击用户隐私数据库安全

基于量子不经意密钥传输的保密块查询协议研究与设计

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基于量子不经意密钥传输的保密块查询协议研究与设计

作者：孟晓露湘潭大学

学位级别：硕士

对称私人信息检索问题旨在保护通信双方的隐私安全,它允许用户从数据库中检索一个条目同时避免泄露检索地址给数据库拥有者。然而经典的对称私人信息检索方案是基于数学上的困难假设,容易受到量子计算机的攻击。随着量子力学在信息处理... 详细信息

对称私人信息检索问题旨在保护通信双方的隐私安全,它允许用户从数据库中检索一个条目同时避免泄露检索地址给数据库拥有者。然而经典的对称私人信息检索方案是基于数学上的困难假设,容易受到量子计算机的攻击。随着量子力学在信息处理领域的发展和深入应用,它引入的信息论安全性已经在一些协议中得到证实,例如量子密钥分配、量子安全直接通信、量子机器学习,更值得一提的还有具有信息论安全的量子保密查询。作为一种实用的保密查询协议——基于量子不经意密钥传输的保密查询协议,在抵抗信道损失和用于大数据查询方面具有独特的优势,比早期提出的基于Oracle的保密查询协议在实际应用上更有意义。本文基于不经意密钥传输对量子保密查询协议在实用性和安全性方面进行深入的研究,并设计了两种量子保密块查询协议:借助一个二维量子系统,提出一个实用的量子保密块查询协议。在该协议中,二维量子系统用于灵活的控制用户获得关于最终密钥的信息。对于不同的数据库规模,协议可以同时具有较高的数据库安全性和较低的失败概率。其次,提出的置乱移位加操作不仅解决了数据库中固有的安全问题,还可以达到嵌入纠错过程和极大的压缩用户在此过程额外得到的关于最终密钥信息的双重目的。借助一个特殊的置换移位加操作,提出一个基于RRDPS-QKD的量子保密块查询协议。该协议基于RRDPS-QKD进行用户和数据库间密钥分配,它保证每传送一个脉冲序列,Alice总是能准确的知道其中一个脉冲所在的位置。另外置换移位加技术在后处理部分完成了一个困难的任务,即快速地实现理想数据库安全,同时消除失败概率。更重要的是,即使在非理想光源条件下,该方案也能达到理想数据库安全和零失败概率。

关键词：量子密码量子保密查询量子不经意密钥传输量子保密块查询错误校正

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抵抗联合测量攻击的量子保密查询协议的分析

科技风 2021年第31期 78-81页

作者：武亚丽北京邮电大学北京100876

自从2011年Jakobi等人提出第一个基于量子密钥分发(QKD)的量子保密查询(QPQ)协议开始,基于QKD的QPQ协议由于其实用性已成为研究的热点,但其中部分协议至今依然存在着一些安全问题。例如通过使用量子存储,联合测量(JM)攻击严重威胁到QPQ... 详细信息

自从2011年Jakobi等人提出第一个基于量子密钥分发(QKD)的量子保密查询(QPQ)协议开始,基于QKD的QPQ协议由于其实用性已成为研究的热点,但其中部分协议至今依然存在着一些安全问题。例如通过使用量子存储,联合测量(JM)攻击严重威胁到QPQ协议的安全性。本文主要分析杨等人协议在个体攻击和JM攻击下的安全性,发现该协议使用的后处理方法不仅不能抵抗JM攻击,而且会使得数据库条目存在额外泄露隐患。

关键词：量子密钥分发量子保密查询联合测量

维普期刊数据库

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一种可实用的量子保密查询方案

信息安全研究 2020年第2期6卷 108-112页

作者：徐鹏翱贺振兴张鑫马鸿洋青岛理工大学信息与控制工程学院山东青岛266033 青岛理工大学理学院山东青岛266033

在量子保密通信网络中,保护用户隐私和数据库的安全显得尤为重要.考虑噪声在实际通信过程的影响,提出了一种噪声情况下可实用的量子保密查询方案.首先,在初始化阶段通过量子纠缠对来进行身份的验证,保障通信的安全性;其次,在密钥分发过... 详细信息

在量子保密通信网络中,保护用户隐私和数据库的安全显得尤为重要.考虑噪声在实际通信过程的影响,提出了一种噪声情况下可实用的量子保密查询方案.首先,在初始化阶段通过量子纠缠对来进行身份的验证,保障通信的安全性;其次,在密钥分发过程中,通信双方进行联合Bell基测量来推断密钥信息,使其单个用户仅能得到一部分密钥;最后,接收端利用CSS量子纠错码进行相应的纠错工作,保护用户隐私和防止窃听.通过对该方案的安全性和通信效率的理论分析,验证本方案是具有抗噪声能力的协议,不仅提高了协议通信的效率,还具有实际应用的意义.

关键词：噪声量子保密查询量子纠错码纠缠密钥分发