量子秘密共享协议的设计与分析

论文摘要

量子密码是密码学与量子力学相结合的产物,是量子信息中最值得关注的一项应用。量子秘密共享是量子密码的核心内容之一,为密钥的安全管理提供了新的思路和方法。本论文主要研究了量子秘密共享协议的设计与分析,包括秘密共享设计方法、攻击策略和安全性分析三方面,取得了若干研究成果。具体如下:在协议设计方面,提出了两种秘密共享协议。第一种是基于Bell态的量子直接秘密共享协议。它利用四个局域幺正操作编码信息,不仅可以实现共享联合密钥还可以直接共享经典秘密消息,具有效率高和节省经典交换信息的优点。另一个是利用纠缠交换技术实现的多方量子秘密共享协议。它无论参与者个数多少都仅需要两粒子纠缠态,实验上较容易实现。量子秘密共享协议中,不诚实参与者的攻击往往比外部攻击者威胁更大,因此要着重分析“参与者攻击”的情况。针对这一特点设计了两种参与者攻击策略。第一种攻击方案中,攻击者利用假信号和纠缠交换原理区分四种加密操作,从而获得分发者的秘密。第二种方案利用量子隐形传态技术使得参与者的随机相位旋转操作失效,进而可以在不引入任何扰动的情况下成功恢复出分发者的秘密。另外针对一种错误使用检测窃听技术的秘密共享协议提出攻击策略。该攻击利用两次控制非门操作使得附加粒子与载体纠缠再解纠缠,从而使得不仅内部参与者甚至外部窃听者都可以获得一半密钥。这些巧妙的攻击方法对今后的协议设计工作有重要的指导意义。在安全性分析方面,利用信息论方法,对一类量子秘密共享协议设计了具有一般意义的参与者攻击模型。应用该模型分析了两个著名的协议,结果表明其中一种协议是不安全的,并且得到了攻击成功的充要条件;另一种协议则被证明是安全的,并且得到了其具体安全性,即攻击者所能获得的最优“信息——扰动”函数。这种分析方法还可以应用于其它类似的协议,判断协议的安全程度,从而促进量子秘密共享协议的形式化分析的研究。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究意义
• 1.2 研究现状
• 1.3 论文安排及主要研究成果
• 第二章 量子秘密共享基础知识
• 2.1 经典秘密共享概述
• 2.2 量子秘密共享物理基础
• 2.2.1 量子态叠加原理
• 2.2.2 海森堡测不准原理
• 2.2.3 量子不可克隆定理
• 2.2.4 量子纠缠及纠缠交换
• 2.3 量子秘密共享协议举例:HBB协议
• 2.3.1 经典消息的秘密共享
• 2.3.2 量子消息的秘密共享
• 第三章 量子秘密共享协议的设计
• 3.1 基于纠缠交换和局域操作的量子秘密共享
• 3.1.1 协议描述
• 3.1.2 安全性分析
• 3.1.3 结论
• 3.2 环形多方量子秘密共享协议
• 3.2.1 协议描述
• 3.2.2 安全性分析
• 3.2.3 推广到多方秘密共享
• 3.2.4 结论
• 第四章 量子秘密共享协议的攻击
• 4.1 密码协议分析基础
• 4.1.1 密码协议攻击基本知识
• 4.1.2 量子密码协议攻击方法
• 4.2 对顺序加密的MQSS协议的假信号攻击
• 4.2.1 对基于单粒子的MQSS协议的攻击
• 4.2.2 对基于Bell态的MQSS协议的攻击
• 4.2.3 改进方案
• 4.2.4 结论
• 4.3 对随机相位旋转的MQSS协议的隐形传态攻击
• 4.3.1 HLLZ协议简介
• 4.3.2 攻击策略
• 4.3.3 结论
• 4.4 对BD协议的一种外部窃听者攻击
• 4.4.1 BD协议简介
• 4.4.2 攻击策略
• 4.4.3 改进方案
• 4.4.4 结论
• 第五章 量子秘密共享协议的安全性分析
• 5.1 引言
• 5.2 对HBB量子秘密共享协议的密码分析
• 5.2.1 分析模型
• 5.2.2 攻击实例
• 5.2.3 结论
• 5.3 对KKI量子秘密共享协议的安全性分析
• 5.3.1 KKI协议简介
• 5.3.2 安全性分析
• 5.3.3 结论
• 结束语
• 参考文献
• 致谢
• 博士在读期间完成的论文
• 博士在读期间完成和参与的项目