安全量子身份认证与信息签名协议的研究

论文摘要

通信安全是信息社会的一个突出问题。传统密码体制从物理的角度来看，由于其对简单的窃听攻击无法检测；从数学的角度来看，传统密码体制大多是基于计算复杂性设计密码算法，而随着计算能力的提高，这些算法很容易被攻破。然而传统密码体制的两大缺陷被证明可以用量子密码技术弥补，这是由量子密码的两个基本特征—无条件安全性和对窃听的可检测性决定的。本文紧跟量子密码领域的前沿热点课题，设计了一系列基于量子纠缠特性的量子认证协议，并从安全性和效率等方面对所设计的协议作了深入的分析。这些认证协议包括量子身份认证协议、量子签名协议以及量子安全直接通信协议，本文主要取得了以下创新性成果：在量子身份认证方面，(1)提出了一种量子局域网中的身份认证协议。本协议解决了量子通信网络中的登录用户的身份识别问题，再结合量子密钥分配，可以保证一个局域网络中信息传输的绝对安全。(2)提出了一种分布式量子通信网络中的身份认证协议。本协议解决了跨网段量子通信网络中的登录用户的身份识别问题。在单用户量子签名方面，(1)提出了一种基于量子纠缠交换的量子数字签名协议。对经典数字信息进行签名，量子纠缠交换容易实现，需要系统管理员支持。(2)提出两个基于EPR光子对的信息签名协议。一个利用对EPR的测量结果进行比较进行签名验证而另一个则利用量子远程通信来实现。这两个协议不需要仲裁及密钥。(3)提出了一个可信量子数字签名协议。对经典数字信息进行签名，一般情况下不需要第三方参与签名和认证，除非有争议发生。(4)提出了一个无仲裁签名协议，能对量子叠加态信息进行签名，且不需要系统管理员或仲裁参与。单用户量子签名可以用在银行根据客户签名代付帐单的场合。在多用户量子签名方面，(1)提出了一种基于可控量子远程通信的多重量子数字签名协议。该协议支持两个用户同时对经典数字信息进行签名。(2)提出了一种基于可控量子远程通信的多重量子信息签名协议。该协议支持两用户同时对一般叠加态的量子信息进行签名。以上两种多用户量子签名协议可以应用在一份非常重要的文件，必须两人同时签名才生效的场合。(3)研究了量子有序多重数字签名问题，并提出一种基于纠缠交换的量子有序多重数字签名协议。该协议对经典数字信息签名，不受签名用户数量的限制，适用于一份文件必须经过逐级签名才生效的场合。(4)研究了量子广播多重签名问题，并提出了一个数字广播签名及一个量子信息广播签名协议。它们的特点是不受签名用户数量的限制，适合于一份文件必须经过全体人员签名才生效的场合。在量子安全直接通信方面，提出了一个安全量子电话协议，本协议包括量子拨号和量子通话两个过程。在量子拨号过程中，合法用户Bob和Alice凭着各自的电话密钥通过Charlic(相当于电话公司)的身份校验。在量子通话程序中，Charlie给通信双方提供量子轨道序列，利用量子轨道，双方通过一些编码操作实现秘密通话。与不安全的经典电话系统相比，我们提出的量子电话协议具有渐进性安全且通信者不能抵赖所占用的量子轨道。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第1章 引言
• 1.1 量子密码的起源
• 1.2 量子密码的发展动态
• 1.2.1 量子密钥分配
• 1.2.2 量子加密算法
• 1.2.3 量子认证
• 1.2.4 量子秘密共享
• 1.2.5 量子密码分析
• 1.2.6 量子密码实现技术
• 1.3 论文的选题和内容安排
• 第2章 量子信息原理与技术
• 2.1 量子信息的基本原理
• 2.2 量子信息的重要特性
• 2.2.1 量子态叠加性
• 2.2.2 量子测不准性
• 2.2.3 量子不可克隆性
• 2.2.4 量子纠缠性
• 2.2.5 量子相干性
• 2.3 量子信息技术
• 2.3.1 量子密钥分配
• 2.3.2 量子计算
• 2.3.3 量子稠密编码
• 2.3.4 量子远程通信
• 2.4 量子信息实验技术
• 2.4.1 量子信号产生
• 2.4.2 量子比特制备
• 2.4.3 量子信道
• 2.4.4 量子信号检测
• 2.5 量子密码算法及分析
• 2.5.1 经典密码学原理及算法
• 2.5.2 量子加密算法
• 2.5.3 量子认证算法
• 2.5.4 量子密码分析
• 第3章 量子身份认证协议
• 3.1 量子身份认证的密码学原理及模型
• 3.2 局域网中的量子身份认证协议
• 3.2.1 基本原理
• 3.2.2 协议描述
• 3.2.3 安全性分析
• 3.3 分布式量子通信网络中的身份认证协议
• 3.3.1 基本原理
• 3.3.2 协议描述
• 3.3.3 安全性分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 单用户量子签名协议
• 4.1 基于量子纠缠交换的数字签名协议
• 4.1.1 基本原理
• 4.1.2 签名算法描述
• 4.1.3 安全性分析
• 4.1.4 结论
• 4.2 基于EPR光子对的信息签名协议
• 4.2.1 基于测量结果比较的签名协议
• 4.2.2 基于量子远程通信的签名协议
• 4.2.3 结论
• 4.3 基于量子相干性的可信数字签名
• 4.3.1 基本原理
• 4.3.2 签名方案描述
• 4.3.3 安全性分析与讨论
• 4.3.4 结论
• 4.4 不依赖于仲裁的量子信息签名协议
• 4.4.1 签名协议描述
• 4.4.2 安全性分析与讨论
• 4.4.3 结论
• 4.5 本章小结
• 第5章 多用户量子签名协议
• 5.1 基于受控量子远程通信的多重数字签名协议
• 5.1.1 基本原理
• 5.1.2 签名协议描述
• 5.1.3 安全性分析
• 5.1.4 结论
• 5.2 基于受控量子远程通信的多重信息签名协议
• 5.2.1 基本原理
• 5.2.2 签名协议描述
• 5.2.3 安全性分析与讨论
• 5.2.4 结论
• 5.3 基于纠缠交换的量子有序多重数字签名协议
• 5.3.1 基本原理
• 5.3.2 量子有序多重数字签名方案
• 5.3.3 安全性分析及讨论
• 5.3.4 结论
• 5.4 量子广播多重签名协议
• 5.4.1 量子数字广播签名协议
• 5.4.2 量子信息广播签名协议
• 5.4.3 结论
• 5.5 本章小结
• 第6章 安全量子电话
• 6.1 量子安全直接通信
• 6.2 安全量子电话协议
• 6.2.1 量子拨号过程
• 6.2.2 量子通话过程
• 6.2.3 安全性分析和讨论
• 6.3 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 作者简历
• 致谢
• 学位论文数据集