量子信息学主要包括量子通信和量子计算,是近几年迅速发展起来的一门新兴交叉学科。目前,随着量子信息技术的不断发展,传统的依靠计算复杂度来保证协议安全性的密码体系正在遭受严重威胁,而基于量子物理特性的量子通信技术则为解决该难题提供了可能性。量子安全通信以量子力学基本原理为依据,以各种量子态为载体,通过幺正变换和测量实现了私密信息的编码、传输和解码。量子对话又称双向量子安全直接通信,是量子安全通信技术发展过程中一个很重要的分支。安全性和效率是衡量量子通信协议好坏的重要因素,研究人员也一直致力于研究高效率和高安全性的量子对话协议。本文的主要研究内容是高效的量子安全通信理论,旨在保证量子通信协议安全的基础上,尽量提高量子通信的效率。方案一:考虑到纠缠光子态在制备和测量方面的困难性,目前很多量子对话协议都采用相对较容易制备和测量的单光子作为私密信息的载体。本文在研究已有的单光子量子对话协议的基础上,对基于单光子的量子对话方案进行分析与设计,提出了基于单光子具有认证的高效量子对话协议。在该协议中,通过事先共享的密钥,合法通信双方可以在量子信道中进行检测窃听,并认证对方的身份。同时,合法通信双方通过利用不同的编码操作以及初态和末态的对应关系,在保证私密信息安全传输的前提下,减少了单量子比特的使用量,提高了该协议的通信效率。方案二:方案一中量子对话协议是基于理想环境下的,但在实际的应用环境中,不能忽视噪声环境对量子信道的影响。同时,本文也考虑在对话的过程中加入控制者,监督通信双方互换私密信息。综合上述两种情况,本文研究并提出了基于逻辑量子比特具有容错能力的受控量子对话。本文首先给出了一个理想环境下基于单光子的受控量子对话协议。该协议以单光子态为信息载体,使用不同的编码操作,不但克服信息泄露,还提高了通信效率。随后,通过采用不同的逻辑量子比特和酉操作,使得该协议在联合退相位噪声、联合旋转噪声和任意联合酉噪声环境下具有通用性。该协议首次提出了噪声环境下的受控量子对话,而且该协议中使用的酉操作编码具有一次访问不可区分性,使得会话的安全性得到了保障。针对目前存在的各种攻击策略,本文提出的两个协议都做了详细的安全分析并证明其安全性。更重要的是,与已有协议的效率分析对比表明,本文提出的协议在效率方面具有一定的优势。