量子密钥分配的安全性研究

    姓    名： 庄肃帅       学科专业：信息安全

         研究方向：量子信息      指导教师：杨理 副研究员

摘   要

 保密通信不管在政治、军事领域，还是在日常生活中都起着重要的作用。现行的经典保密通信体制主要是基于经典密码学，而经典密码学大多数算法基于计算复杂性意义下的困难问题，其困难性未经严格证明。随着密码学和信息安全技术的进步，许多过去被认为是安全的密码学算法不再安全。在这种情况下，量子密钥分配协议的诞生，使真正无条件安全的保密通信成为了可能。

 1984 年，Bennett和Brassard提出了第一个量子密钥分配协议，也就BB84协议。作为单量子比特类量子密钥分配协议的代表，BB84协议有着及其重要的意义，它揭开了密码学领域的新篇章。目前，对单比特类量子密钥分配协议的安全性研究已经非常透彻完善，在实验研究方面也非常成熟，其大规模实际应用指日可待。在这种情况下，人们也提出了许多新颖的协议，研究如何提高量子密钥分配协议的效率，如量子比特利用率，密钥生成率，以及可容忍错误率等。

 本文介绍了作者在量子密钥分配的安全性方面做的一些工作。首先在引言部分，我们介绍了量子密钥分配协议产生的背景和意义，以及论文的主要内容。在第二章，我们着重介绍了三个经典的量子密钥分配协议：BB84协议，B92协议，以及E91协议，并且分析了它们各自的安全性，给出了对它们安全性的证明。在量子密钥分配协议的安全性理论分析中，我们往往从分析几种攻击模型入手，包括独立攻击，联合攻击，以及相干攻击等；而在实际的量子密钥分配系统中，窃听者还会利用信道噪声、仪器的不完善等系统实际存在的漏洞，对通信方的通信进行窃听。在第三章，我们对敌手的这些攻击方式做了介绍，并深入地分析了针对实际分束攻击的诱骗态协议。同时，本章也介绍了对量子密钥分配协议的安全性进行证明的一些方法，主要包括基于CSS纠错码的安全性证明和基于量子信息论的证明方法。在第四章，我们介绍了对相对论量子密钥分配协议的安全性证明。相对论量子密钥分配协议是2002 年杨理、吴令安和刘颂豪提出的一个协议，它利用了狭义相对论的一个基本结论，即真空光速是信号传播的最大速度。相对论量子密钥分配协议在初始量子比特分发阶段，接收者与窃听者的地位就不再相同，从而全部的量子比特都可以用于生成密钥。我们利用基于CSS纠错码的QKD协议安全性证明方法证明了相对论量ii 量子密钥分配的安全性子密钥分配协议的无条件安全性。最后在第五章，我们介绍了与仪器无关的安全性的概念，并提出了基于纠缠态光子对的相对论量子密钥分配协议，证明了它的仪器无关安全性。