安全多方量子计算理论与应用研究

论文摘要

安全多方计算是现代密码学的重要组成部分和热门研究领域,其主要目标是完成以下计算任务：在一个互不信任的分布式网络中,两个或多个用户能够在不泄露各自隐私数据的前提下合作计算某个约定函数并获得计算结果。安全多方计算在数据挖掘、科学计算、电子交易、信息检索以及计算几何等多个领域有广泛的应用前景。量子信息学是信息学与物理学的交叉科学,它将量子理论应用于通信、计算以及密码学等领域,构成量子通信、量子计算、量子密码术等三个重要分支。量子信息学在通信效率、运算速度以及安全性等方面均有优于传统信息学的表现。安全多方计算与量子信息学的相互融合产生了新兴的热门研究领域一安全多方量子计算。与经典环境下的安全多方计算协议相比,安全多方量子计算协议引入了量子信息技术的优异特性,所以其在健壮性、安全性以及通信效率等方面均有很大的提高,尤其是窃听检测方面,后者相对前者具有绝对的优势。本文在国家自然科学基金项目的支持下,开展了安全多方量子计算理论与应用方面的研究。本文的主要研究内容及相关创新点如下：1.重新审视了安全双方量子计算的局限性,借助Yao模型并结合具体协议论证了标准模型下不存在无条件安全的比特承诺和茫然传送协议。2.从通用协议和基础协议两个角度探讨量子安全函数计算,指出通用协议在双方计算环境中的局限性,并进而引入非串谋的第三方构建出一种安全实用的双方量子点积协议。此协议具有很强的扩展性,可以作为一般安全双方函数计算问题的通用解决方案。3.借鉴经典环境下盲签名和多代理签名模型,提出一种安全高效的量子多代理盲签名协议。此协议基于量子纠缠和量子纠缠交换,实验上易于实现。4.从密码分析角度探讨量子盲签名的安全性。针对WW09QBS协议提出一种有效的攻击方案,并进而论证了WW09QBS协议客观存在的安全缺陷一不具备签名的不可伪造性,最后对协议进行了改进。5.从密码分析角度探讨量子密封拍卖的安全性。针对ZNZ10QA协议提出一种有效的攻击方案,并进而论证了ZNZ10QA协议客观存在的安全缺陷—不能抵抗多个投标者的合谋攻击,最后对协议进行了改进。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究现状与分析
• 1.3 选题意义及主要贡献
• 1.4 内容安排
• 1.5 本章小结
• 第二章 量子信息技术基础
• 2.1 量子力学的基本假设
• 2.2 量子态的基本特性
• 2.3 量子信息与线性代数
• 2.3.1 量子比特和Hilbert空间
• 2.3.2 量子门和幺正变换
• 2.3.3 本征值和本征矢
• 2.3.4 张量积和复合系统
• 2.3.5 密度算符
• 2.4 量子测量理论
• 2.4.1 投影测量
• 2.4.2 POVM测量
• 2.5 量子纠缠
• 2.6 本章小结
• 第三章 量子比特承诺和量子茫然传送
• 3.1 引言
• 3.2 相关工作
• 3.3 基础知识
• 3.3.1 比特承诺简介
• 3.3.2 茫然传送简介
• 3.4 安全双方量子计算的局限性
• 3.4.1 Yao模型
• 3.4.2 Schmidt极形式
• 3.4.3 无条件安全性比特承诺的不可能性
• 3.4.4 单边双方协议的安全性
• 3.5 量子比特承诺协议
• 3.5.1 BB84BC协议—安全性分析
• 3.5.2 安全QBC探讨
• 3.6 量子茫然传送协议
• 3.6.1 BBCS92协议—安全性分析
• 3.6.2 安全QOT探讨
• 3.7 本章小结
• 第四章 量子安全函数计算
• 4.1 引言
• 4.2 相关工作
• 4.3 基础协议
• 4.3.1 安全求和协议
• 4.3.2 安全比较协议
• 4.3.3 安全点积协议
• 4.4 构建安全双方量子点积协议
• 4.4.1 通用协议的局限性
• 4.4.2 STPQSP协议
• 4.5 协议分析
• 4.5.1 正确性
• 4.5.2 安全性
• 4.5.3 实用性
• 4.5.4 扩展性
• 4.6 结论和进一步研究
• 第五章 量子签名
• 5.1 引言
• 5.2 相关工作
• 5.3 量子签名简介
• 5.4 构建安全的量子多代理盲签名协议
• 5.4.1 预备知识
• 5.4.2 量子多代理盲签名协议
• 5.4.3 协议分析
• 5.5 量子公平盲签名协议分析以及改进
• 5.5.1 WW09QBS
• 5.5.2 攻击方案
• 5.5.3 协议改进
• 5.6 小结
• 第六章 量子拍卖
• 6.1 引言
• 6.2 相关工作
• 6.3 电子拍卖简介
• 6.4 ZNZ1OQA协议—缺陷分析
• 6.4.1 ZNZ10QA
• 6.4.2 缺陷分析
• 6.5 一种有效的攻击方式
• 6.5.1 攻击方案
• 6.5.2 有效性分析
• 6.6 ZNZ10QA改进方案
• 6.7 小结
• 第七章 总结和展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 未来研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果