量子通信協(xié)議與安全策略研究.pdf

1、人們對(duì)信息安全的各種需求促進(jìn)了量子通信技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展,量子力學(xué)和經(jīng)典通信為量子通信提供理論基礎(chǔ),是構(gòu)成量子通信的基石。量子通信主要包括量子密鑰分發(fā)(QKD)、量子安全直接通信(QSDC)、量子秘密共享(QSS)、量子認(rèn)證(quantum idemification)和量子隱形傳態(tài)(um teleportation)等。
　　 基于量子的測(cè)不準(zhǔn)原理和不可克隆定理,量子通信的無條件安全性吸引了越來越多的注意。美國國家科學(xué)基金會(huì)、美

2、國國防部等部門正在著手此項(xiàng)技術(shù),歐盟從1999年開始研究,日本也從2001年開始把量子通信納入十年計(jì)劃。在我國,國務(wù)院發(fā)布的國家長(zhǎng)期科學(xué)和科技發(fā)展綱要(2006-2020年)中,將涉及量子通信技術(shù)在內(nèi)的量子信息技術(shù)研究的重要性提到了一個(gè)極高的位置。
　　 量子通信技術(shù)的無條件安全性,使其具有重要的戰(zhàn)略意義和巨大的應(yīng)用前景,將在未來的國防、銀行、政府等機(jī)要部門的信息安全傳輸中發(fā)揮重大的作用。本文主要研究了量子通信中的量子密鑰分發(fā)協(xié)

3、議、量子密鑰分發(fā)中的攻擊方案、誘騙態(tài)量子密鑰分發(fā)協(xié)議以及帶有身份認(rèn)證的量子安全直接通信方案。論文的主要研究成果如下:
　　 深入研究BB84量子密鑰分發(fā)協(xié)議的安全性和量子信道特性,建立了數(shù)學(xué)模型；分析了竊聽者采用不同測(cè)量基對(duì)經(jīng)典BB84量子密鑰分發(fā)協(xié)議進(jìn)行截聽/重發(fā)攻擊所能獲得的信息量以及在接收端造成的量子比特誤碼率。通過仿真,得出合法用戶判斷是否存在截聽/重發(fā)攻擊必須設(shè)定合適的量子比特誤碼率門限值,從而為合法通信者間的安全通信

4、和對(duì)竊聽者的檢測(cè)提供了新的判定依據(jù)。
　　 提出了一種新的基于Breidbart基的截聽/重發(fā)竊聽方案,并結(jié)合BB84量子密鑰分發(fā)協(xié)議,分析了該竊聽方案的性能。新方案中,竊聽者竊取全部光子并進(jìn)行存儲(chǔ),接著將隨機(jī)由Breidbart基制備的光子發(fā)送給接收方。當(dāng)竊聽行為在接收方引起的量子比特誤碼率小于門限值時(shí),竊聽者不會(huì)被發(fā)現(xiàn)。通信雙方通過經(jīng)典信道比對(duì)測(cè)量基時(shí),竊聽者可以通過竊聽獲取篩選后的光子的位置及正確的測(cè)量基,然后對(duì)自己保留的

5、相應(yīng)位置的光子進(jìn)行測(cè)量,就可以100％獲得合法用戶間的密鑰。
　　 提出了一種高性能誘騙態(tài)量子密鑰分發(fā)方案,該方案將修正相干光(ModifiedCoherent State)與誘騙態(tài)相結(jié)合,通過削除弱相干光源中兩個(gè)(或三個(gè))光子來減少弱相干光源中多光子脈沖的影響,可有效提高誘騙態(tài)量子通信的性能。建立了誘騙態(tài)量子通信的數(shù)學(xué)模型,分析了采用修正相干光的單光子計(jì)數(shù)率和誤碼率的數(shù)學(xué)關(guān)系,將分析結(jié)果代入密鑰產(chǎn)生率表達(dá)式并進(jìn)行仿真。結(jié)果表明

6、,在誘騙態(tài)的基礎(chǔ)上采用修正相干光,會(huì)進(jìn)一步提高量子通信的安全傳輸距離,為下一步實(shí)際應(yīng)用提供了依據(jù)。
　　 為防止中間人竊聽,提出了一種新的帶有身份認(rèn)證的量子安全直接通信方案。該方案使用EPR糾纏對(duì)和極化單光子,其中EPR糾纏對(duì)用于傳輸秘密信息,而極化單光子用來進(jìn)行身份認(rèn)證和檢測(cè)通信過程中是否存在竊聽者Eve。Alice和Bob在通信前共享只有合法用戶才知道的身份認(rèn)證碼,通信過程中認(rèn)證碼加載在極化單光子上,只有確定信道中不存在竊聽