（通信与信息系统专业论文）量子通信协议研究.pdf

摘要量子通信由于其无条件安全性而得到了广泛的重视，取得了快速的发展。目前它的分支主要包括量子密钥分发、量子秘密共享、量子安全通信以及量子认证等。在量子密钥分发中，由于目前还没有实用的完美单光子源，通常采用弱相干光经过衰减近似地代替单光子源，因此可能存在光子数目分割攻击，诱骗态量子密钥分发的思想也就因此而产生了。并且随着量子通信的发展，点到点量子通信必然要过渡到多个用户的量子通信网络。本文主要对诱骗态量子密钥分发、量子秘密共享、量子安全通信和量子通信网络进行研究。论文的主要研究成果如下：在诱骗态量子密钥分发方面，首先从理论上仿真证明诱骗态方案确实能够识别光子数目分割攻击。其次推导了预报单光子源诱骗态量子密钥分发的密钥产生率公式，并进行了弱相干光和预报单光子源诱骗态量子密钥分发的最优强度估计和密钥产生率计算与仿真。研究表明：密钥产生率随着发送端探测效率的增加而增加；采用诱骗态后由于能够更好地估计出单光子的通过率，因此密钥产生率和安全通信距离都得到了提高。最后提出了一种基于预报单光子源的单一强度的诱骗态量子密钥分发方案：在发端采用参量下变换产生纠缠光子对，其中之一用来进行预报探测，根据探测结果将另一路光脉冲分成两个集合，其中预报探测有响应的脉冲集合用作信号态，无响应的脉冲集合作为诱骗态。通过这两个集合的通过率和错误率估计出单光子的通过率和错误率，并进行了密钥产生率的推导和数值仿真。研究表明：其安全通信距离与完美单光子源一致，虽然其密钥产生率和三强度诱骗态方案相比有所下降，但该方案不需要改变光强，实现起来更容易。在量子秘密共享方面，研究了基于单光子的多方与多方之间的量子秘密共享协议，发现如果发送方不注意公布编码基和编码信息的顺序，则并不需要所有的代理合作不诚实者就可以获得信息。提出了各个代理采用顺序公布编码信息逆序公布编码基的改进方案。研究了基于纠缠交换的量子秘密共享协议，发现如果不改变发送给同一个代理的两个粒子的相对顺序，则不诚实者可以通过攻击最终使得诚实者得到错误的密钥。然后提出了随机地改变发送给同代理的两粒子顺序的改进方案。研究了基于纠缠交换的量子秘密共享协议，此协议由于让每一个代理来制备纠缠态而带来了不安全性。提出了新的基于纠缠交换的量子秘密共享协议，所有的纠缠态都由发送方来制备，并且随机地改变发送给同一个代理的两粒子的相对顺序。在接收方收到粒子后，如果是检测模式，发送方公布两粒子的顺序，双方进行窃听检测；如果是信息模式则两个接收方分别对各自的两个粒子进行联合测量，两者联合起来与发送方共享密钥。分析结果表明此协议能够保证共享信息的安全性和正确性。在量子安全通信方面，分析了已有的量子安全通信协议，提出了基于单光子的单向量子安全通信方案。发送方在对信息序列进行编码操作之前首先将其和随机序列进行异或操作并插入校验序列。接收方收到光子后对其进行延迟，然后发送方公布编码基从而使接收方在正确的基下进行测量。接着双方通过校验序列判断信道的安全性，如果信道安全，则发送方公布接收方有测量结果的位置所对应的随机序列，接收方由此恢复出信息序列；如果信道不安全，窃听者所获得的只是随机的发送序列，信息序列仍然是安全的。此协议与双向通信协议相比具有传输效率高。易于实现等优点。在量子通信网络方面，提出了量子通信网络和量子交换机的架构以及基于诱骗态的广域量子安全直接通信网络方案。该方案在每个局域网中设置一个服务器负责量子态的产生和测量，从而有效地提高了通信距离；将诱骗态的思想引入量子安全直接通信以保证利用弱相干光代替完美单光子源时传输信息的安全性；并且根据信道参数估计了不同通信距离的通过率，为信道编码提供依据。分析结果表明此方案能够实现远距离量子安全直接通信。关键词：量子密钥分发诱骗态量子秘密共享量子安全通信量子安全直接通信量子通信网络a b s t r a c tb e c a u s eo f 也eu n c o n d i t i o n a ls e c w i t ) re n s u r e db yt l l eh e i s e n b e 唱u n c e r t a i n t yp 咖c i p l ea i l dq u a n t u mn 0 - c l o i l i n gt l l e o q 删m mc o i 姗u i l i c a t i o nh a sp r o 铲e s s e dq u i c h y t h e r ea r es e v e r a lr e m a r k a b l eb r a n c h e so fq u a n t u mc o m m u n i c a t i o n ，s u c h 嬲q 咖t 哪k e yd i 矧b u t i o n ( q k d ) ，q 1 l a n t l l i i ls e c r e ts h 撕n g ( q s s ) ，d e t e 眦i 1 1 i s t i cs e c u r eq 1 煽n n l mc o m m u n i c a t i o n ( d s q c ) ，q u a n t u ma u t h e n t i c a t i o n ( q a ) a n ds 0o n s i n c et h e r ei sn op r a c t i c a lp e r f e c ts i n g l ep h o t o ns o u i c ea tp r e s e n t ，t h ew e a kc o h e r e n tp u l s e s ( w c p ) a r eo r e nu s e da sas u b s t i t u t i o nme x p e r i m e n t a la n dp r a c t i c a ls y s t e m s n l ee a v e s d r o p p e re v em a yp e r f o n l lt h ep h o t o n n u m b e r - s p l i t t i n g ( p n s ) a t t a c kt 0g 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( i l o wt l l a ti ft l l es e n d e r sd on o tp a ya t t e n t i o nt ot l l ep u b l i s h i n go r d e r so ft l l eb a l s i sa i l dt 1 1 ei i o m a t i o l l ，t l l ed i s h o n e s ta g e n tc a i lg e tt h ei 1 1 f o m a t i o n 州t h o u tt h ec o l l a b o r a t i o no fa l la g e n t s t h em e t h o db yw h j c ht h ea g e n t sp u b l i s ht h ei 1 1 f o 眦a t i o ni no r d e ra i l dt h eb a s i si nr e v e r s eo r d e ri sp r o p o s e d s e c o n d l y ，t l l ep r o t o c o lo fm u l t i p 邮rq s so fc l a l s s i c a lm e s s a g e sb a s e do ne n t a n g l e m e n ts w a p p i n gi sa l s od i s c u s s e d ，锄di ti se a s yt ok n o wt h a ti ft h eo r d e ro ft l l et v 旧p h o t o n ss e n tt ot h es 锄ea g e n td o e sn o tc h a l l g e d ，t l l ed i s h o n e s ta g e n tc a i la t t a c kt h ep r o t o c o la n dt h eh o n e s ta g e n tw i l lg e t 、v r o n gi n f o r i l l a t i o n t h u san e wm e t h o db yw h i c ht h et 、v op h o t o n sa r es e n tt ot h es 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“cs e c u r eq u a n t u mc o m m u n i c a t i o n ，q u a n t u ms e c u nd i r e c tc o m m u n i c a t i o n ，q u a n t u mc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k西安电子科技大学学位论文独创性( 或创新性) 声明秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。本人签名：生氐盎盆，西安电子科技大学关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。( 保密的论文在解密后遵守此规定)本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。本人签名：导师签名：撕多日期奠殳z 翌，主! ! ! ，第一章绪论第一章绪论1 1 量子通信研究背景及意义量子信息学是近2 0 年发展起来的新型交叉学科，是量子理论、信息科学和计算机科学相结合的产物【l j 。量子信息学中发展速度最快的分支学科就是量子密码学。1 9 6 9 年，哥伦比亚大学的年轻学者w i e s n e rs 首次提出了采用量子物理方法保护信息的思想，鉴于当时的科技水平，他的思想被打入冷宫长达1 0 年之久。1 9 7 9年，w i n e s n e rs 在与他的朋友i b m 公司的研究人员b e i l l l e t tc h 的一次偶然谈话中提及他十年前的思想，引起了b e r l r 】【e t t 的注意。在1 9 7 9 年在p u e n o 鼬c o 举行的第2 0 次i e e e 计算机科学基础会议上，b e i u l e t t 和加拿大密码学研究人员b r a s s 羽q 讨论了w i e s n e r 的思想，发表了一篇利用量子比特的存储来实现量子密码的论文并提出了公钥算法。但是量子比特存储在当时的技术上仍然是不可能实现的，因此没有引起人们的共识。后来，他们意识到量子密码中量子比特的传输比量子比特的存储更重要。基于这个出发点，1 9 8 4 年b e 衄e t t 和b r a s s a r d 提出了著名的量子密钥分发的概念，这个概念的提出标志着量子密码的真正开始【2 】。量子密码之所以能够被人们接纳，并成为受到密码学界、物理学界、商家、媒体、政府部门等各方面广为关注的密码学分支与技术，主要原因在于量子密码本身的特征：无条件安全性和对窃听的可检测性【2 】。无条件安全性是指在攻击者具有无限计算资源的条件下仍不可能破译该密码系统。无条件安全又称为信息安全，量子密码的信息安全基础是量子信息理论，它的发展目前还不是很完善。对窃听者或者其他各种扰动的可检测性是指通信中的两个用户之间的信息受到干扰时，通信者可以检测出这种干扰的存在。对窃听的可检测性是由量子力学的测不准原理和不可克隆定理【3 j 来保证的，是一种独特的量子效应，这种特性是保证量子密码具有无条件安全性的重要基础之一。在目前的量子密码体系中，所传输的量子比特一般来自于一个非正交的量子比特集合。这种非正交性保证了量子信道中传输的量子比特的不可克隆性。因此对于任何非法的通信用户，均不可能逃避不可克隆定理而获得有效的量子信息。另一方面，对于任何窃听者，要获得有效的信息，必须对量子信道中传输的量子比特进行相应的操作或测量。由于攻击者事先并不知道量子信号处于何种状态，只能随机地选择测量基对量子比特进行测量。当选择的测量基正确时，可以准确地得到信号；当选择的测量基不正确时，以一定概率得到错误的结果。因此通过整体错误率就能够判断是否存在窃听。所以可以认为：不可克隆定理是保证量子密码无条件安全性的内禀条件，而测不准原理是外部保障。2量子通信协议研究量子密码与数学密码的本质区别在于他们所依赖的基础不同，数学密码以数学理论为基础，密码问题依据一个或多个数学问题而设计，其安全性由求解数学问题的复杂性得以保证。而量子密码以量子物理为基础，密码系统依据一个或多个量子物理规律而设计，其安全性由量子不可克隆定理和测不准原理得以保证。与数学密码不同的是，量子密码方案一般是针对一个具体的物理系统而设计的i 引。显然量子密码的适用性没有数学密码那么宽，特别是量子密码系统不能脱离实际的系统而存在。例如，针对量子比特的互补特性设计的量子密码系统，只能采用共轭量子比特来实现，如b b 8 4 协议。量子密码最初的目的是为了解决密钥管理问题，因此量子密码的研究主要集中在量子密钥分配( q u a n t l 】mk e yd i s t r i b u t i o n ，q k d ) 方面。但是经过近三十年的发展量子密码在量子秘密共享( q u 柚t u i l ls e c r e ts h a r i n 禹q s s ) 、量子认证( q u a n t i j n la u t h e n t i c a t i o n ，q a ) 等方面都取得了丰硕的研究成果。量子密码是与计算机密码几乎同时被提出和发展的密码学分支，但是，三十多年来计算机密码得到了飞速的发展，并成为信息保护的重要手段。相对而言，由于技术上的限制，量子密码学发展较为缓慢，特别是在6 0 8 0 年代几乎没有实质性进展。直到9 0 年代以后，量子密码才受到人们的高度重视，取得了迅速的发展。量子通信除了量子密码外，还有一个分支一一量子安全直接通信( q u a n t u ms e c u r ed i r e c tc o m m u m c a t i o n ，q s d c ) 和量子安全通信( d e t e m i n j s t i cs e c u r eq u a n n 蛐c o 姗u 1 1 i c a t i o n ，d s q c ) ，q s d c 可以直接在通信双方之间安全地传输信息而不需要传递额外的经典信息进行辅助；d s q c 在经典信道的辅助下，能够在通信双方之间传递确定性的信息。并且随着量子通信的发展，点到点量子通信必然要过渡到多个用户的量子通信网络，各种量子通信网络的方案也被逐步提出。目前，由于量子通信和量子计算潜在的重要的科学价值和应用价值，国内外对这方面的研究都非常重视，国际上重要的西方国家，特别是美国和欧盟均投入大量人力物力致力于量子通信的研究。美国的加州理工大学、麻省理工学院和南加州大学联合成立了量子信息和计算研究所；l o s a l 锄o s 国家实验室正在研究量子局域网的密码体系和自由空间量子密码；而美国的国家标准和技术研究所( n i s t ) 将量子信息作为三个重点研究方向之一。在欧洲，则成立了以英国、法国、德国、意大利、奥地利和西班牙等国在内的量子信息物理研究网，主要研究量子通信、量子计算和量子信息科学。日本邮政省则将量子信息确定为2 1 世纪国家的战略项目，以十年的中长期目标进行研究。而日本总务省则提出了以新一代量子通信技术为对象的长期研究战略，计划在2 0 2 0 年至2 0 3 0 年间建成绝对安全保密的高速量子信息通信网。除了这些研究机构，还有一些信息产业界也加入了量子通信的研究之中，如i b m 、a t & t ，b e u 实验室、h p 、西门子、n e c 、日立、三菱、n t t 等都纷纷投入量子信息的研究之中，这也表明量子信息和量子通信研第一章绪论究具有广阔的应用前景。量子通信的研究不仅吸引了研究部门和产业界的注意，更是引起了各国政府和国防部门的重视。例如美国的量子信息和计算研究所为美国军队研究部门所管理，隶属于美国国防部高级研究计划司超大规模计算工程。英国国防部研究局则直接参与了英国电话电报公司的量子保密通信实验。北大西洋公约组织则出资支持牛津大学恕t u re k e r t 教授的量子信息研究计划。这些都充分地说明量子通信与国家安全紧密相连。在我国量子通信一开始就受到科技部、国家自然科学基金委员会、中国科学院等部门的高度重视和大力支持。通过各种重大项目的实施，我国已经在量子信息研究方面做出了一批具有国际水平的成果，相关研究团体已经在国际上享有一定的影响力。国内的中国科学技术大学、清华大学、中国科学院物理所、武汉物理与数学研究所、半导体所、华东师范大学、山西大学、西安电子科技大学、北京邮电大学、北京师范大学、华南师范大学等单位已经取得了一些重要的研究成果。2 0 0 9 年，芜湖市政府与中国科学技术大学郭光灿小组合作成立了安徽问天量子科技股份公司；皖能集团、铜陵润丰集团和中国科学技术大学潘建伟小组合资成立了安徽量子通信责任有限公司，这些说明量子通信即将产业化。1 2 量子通信研究进展及问题1 2 1 量子密钥分发研究进展及问题通过量子密钥分发，能够在相距遥远的通信双方之间协商出绝对安全的密钥，利用此密钥对经典信息进行一次一密，就可以进行理论上安全的通信。1 9 8 4 年，b e 衄e t tc h 和b r a s s 矾g 以单量子比特为基础，利用共轭量子比特的特性提出了第一个量子密钥分发协议即著名的b b 8 4 协议【4 】。该协议只需要利用单光子来实现，实现简单，并且具有无条件安全性【5 l 。1 9 9 2 年，b e 衄e t t 又提出了一种更简单但效率减半的方案，称为b 9 2 协议【6 】。这两个协议都是基于单光子来实现的。1 9 9 1 年，英国牛津大学的e k e r t 提出了一种利用e p r ( e i n s t e i n p o d o l s k y i b s e n )纠缠态来实现量子密钥分发的协议，即e 9 1 协议【7 1 。这三个协议一起形成了量子密钥分发的主流方案，目前已经提出的量子密钥分发方案有几十种【黏5 2 】，采用的光源包括单光子、e p r 纠缠对以及相干光( 用于连续变量q l ) ，信道主要包括自由空间和光纤，编码方式包括偏振编码、相位编码、差分相位编码等。但是由于目前还没有实用的完美单光子源，实验中通常采用弱相干光经过衰减来近似地得到单光子脉冲，其中有些脉冲仍然含有多个光子，对光子数目分割( p h o t o nn u i i l b e rs p l i t t i n g ，p n s ) 攻击就是不安全的。2 0 0 3 年，h w a n g 【3 7 】提出了诱骗态量子密钥分发的思想，2 0 0 4 年，王向斌【3 8 j 提出了实际可行的诱骗态量子密钥分发方案。2 0 0 5 年，h o i k 、v o n gl o 【3 9 】小组也对诱骗态量子密钥分发进行了研究。新的诱4量子通信协议研究骗态量子密钥分发方案此后陆续被提出【4 0 4 8 】。2 0 0 9 年，i i l o u e 等提出了正交差分相位编码( d i 疵r e n t i a l q u a d r a t u r e p h a s e s l l i r ，d q p s ) 的量子密钥分发方案【5 0 j ，g a r c i a p a 拍n 等提出了噪声信道下连续变量量子密钥分发方梨5 1 】，朱畅华等提出了基于信道估计的白适应连续变量量子密钥分发方法【5 2 】，通过平衡零差检测后，采用最大似然估计法得到了信道参数，进而根据估计的噪声大小自适应调整a l i c e 发送的光脉冲的强度，从而获得稳定的密钥生成率。最近2 0 年里，量子密钥分发在实验上取得了很大的进展【5 3 柳】，同时也将走向实用化。1 9 9 3 年，两个小组率先使用光纤演示了q k d 实验。一个是瑞士g e n e v a大学的g i s i nn i c o l 鹤小组，他们在8 0 0i h n 波长使用极化编码完成了1 1 0 0m 的q k d 实验【5 3 5 4 1 。另外一个是t o w n s e n d 小组，他们在1 0 k m 光纤中完成了相位编码的q k d 实验【5 5 ，5 6 1 。此后，很多小组利用各种技术和方法完成了大量的q k d 实验，并且实验距离越来越远。1 9 9 5 年，t o 、n s e n d 小组将光纤q k d 实验距离扩展到3 0k m 【5 刀。而几乎同时，g i s i n 小组在两个城市g e n e v a 和n y o n 之间完成了2 3 k m光纤中的q k d 实验【5 8 ，5 9 1 ，这也是第一个室外的q k d 实验。后来在1 9 9 7 年，他们又在这两个城市之间完成了即插即用( p 1 u ga 1 1 dp l a y ) 的q i 演示实验州j 。2 0 0 2年，他们再次将通信距离延长到6 7k m 【6 1 】，实验采用的单脉冲平均光子数目为o 2 ，误码率为5 6 。t 0 s h i b a 欧洲研究中心的一个小组通过仔细优化干涉仪以及探测器性能，在2 0 0 4 年实现了1 2 2k m 的单向q l 实验【6 2 l ，单脉冲平均光子数目为o 1 ，误码率为8 9 。2 0 0 5 年，中国科学技术大学的郭光灿小组进行了北京到天津1 2 5k m 光纤中的q i 实验【6 3 】。0 7 年初，清华中科大联合团队，d 锄l ai b s e n b e r g 小组和t o b i a ss c h m i t t m a i l d e r b a c h 小组分别用实验实现了诱骗态量子密钥分发【6 4 铂】。0 8 年，l o 等用实验证明，由于探测器效率的低下，时间偏移攻击带来的错误率比估计值小，难以判断此类攻击，因此提高探测器的效率成为q k d进入实用的瓶颈1 6 引。胡华鹏等提出了一种改进的基于时阆和相位混合编码的量子密钥分发方案【6 9 】。在以b b 8 4 协议为基础的相位编码量子密钥分发系统上，利用了系统中原来舍弃的脉冲进行时间编码，使成码率提高为原方案的两倍。实验上实现了9 0 l ( i i l 光纤量子密钥分发。虽然量子密钥分发在理论方案和实验上都取得了丰硕的研究成果，但是目前实验都采用弱相干光源或者预报单光子源来近似地代替单光子脉冲，可能存在p n s 攻击。诱骗态可以克服p n s 攻击，因此本文研究诱骗态量子密钥分发，理论分析诱骗态对p n s 攻击的识别能力；研究弱相干光和预报单光子源的密钥产生率以及最优强度；并提出新的诱骗态量子密钥分发方案。1 2 2 量子秘密共享研究进展及问题量子秘密共享适用于这样的情景：假设甜i c e 要将信息分发给b o b 和c h 2 u r l i e ，第一章绪论但是这两者中可能且最多有一方是不可信的，如果这两者合作得到信息，则诚实者可以防止不诚实者进行破坏性操作。q s s 最早是由h i l l e 巧m a r k ，b u z e k v l a d i m i r和b e m l i a u m e 加1 d r e 在1 9 9 9 年提出的，是利用g h z 态来实现的，称为h b b 9 9 协议【7 0 1 。在同一年，基于两粒子纠缠的l 9 9 协议也被提出【7 1 】；l o 等人借助量子纠错码的概念提出了量子( m ，n ) 门限q s s 方案1 7 引，并讨论了纠错码和q s s 之间的关系以及m ，n 之间的关系。g o t t e s m a n 、b a i l d y o p a d l l y a y 、g i s i n 等也分别对量子秘密共享进行了理论研究工作1 7 3 刁引。2 0 0 2 年，t y c 和s n a d e r s 提出了基于连续变量的q s s 方梨7 6 j 。2 0 0 3 年，b a 曲e f i n e z l l a d 和k 撕m i p o u r 借鉴z h a n g 等提出的密钥分发的思想【2 4 】提出了基于可重复使用的g h z 态的q s s 方案7 。，但是该方案中a 、b 独立得到一半信息，剩余的一半信息需要双方合作才能够得到。g a o 等提出了一种辅助粒子攻击方法，可以获得b k 协议奇数次通信时的信息而不带来任何错误【7 引。k 等对此协议进行了改进i _ 7 9 j ，舍弃奇数次通信的信息，此协议的效率因此降为l 2 。d u 等提出了一种攻击方法，不诚实者通过分割纠缠态和截取重发攻击，可以独自获得所有信息，而所带来的错误最多只有l b i t 【8 0 】。k 等对协议进行了改进，这样不诚实者的攻击肯定会带来错误，从而保证了协议的安全性【8 1 】。s o n g 等也对此协议进行了改进【8 2 】。h s u 等提出了基于g r o v e r 算法的q s s 协谢8 3 】，g u o 等基于乘积态，利用异或操作提出了高效的q s s 协议【8 4 1 ，该协议等价于两个b b 8 4 协议。2 0 0 4 年，x i a 0 等将h b b 协议扩展到任意个用户之间，并且通过两种方法把效率提高到接近1 ，几乎所有的g h z 态都可以用来生成共享的秘密信剧8 5 】。，2 0 0 5年，h s u 等提出了基于直积态的q s s 协议【8 6 】