量子确定性密钥分发及其信息论分析

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以经典密码学和量子力学为基础的量子密码是密码技术领域中一种新型的密码体制,与经典密码相比,量子密码最根本的优势在于无条件安全性和对窃听的可检测性。量子密钥分发(quantum key distribution, QKD)是量子密码研究的重点,可以为通信者提供安全的共享密钥。然而,现存的量子密钥分发协议仅仅能够产生随机的密钥,却不能完成预先确定性密钥的分发工作。本文紧随量子密钥分发这个热点课题,着重研究事先确定性密钥的分发,设计了一系列量子确定性密钥分发(quantum deterministic key distribution, QDKD)协议,并从信息论的角度进行安全性分析。本文主要取得以下研究成果:根据量子密钥移交的思想,基于纠缠信道认证提出了两个QDKD协议:一是先对通信者以及信道进行认证,再传递确定的密钥,这样可以有效地保证密钥的安全性;一是基于量子信道认证协议进行确定性密钥的传递。另外,运用信息论对所提出的QDKD协议进行了详细的安全性分析,结果表明基于纠缠信道认证的QDKD协议与EPR协议在安全方面是一致的,二者都具有无条件安全性;此外,通信者之间的传输信道容量与经典的二元对称信道容量相同。利用Bell态、GHZ态等量子纠缠态,设计了两个新的QDKD协议,并从量子力学原理和信息论两个方面对所设计的两个QDKD协议进行了安全性分析以及效率分析。采用量子隐形传态和纠缠交换提出了两个QDKD协议来传递事先确定的密钥给意定的接收者,并从信息论的角度全面系统地分析了协议的安全性。研究结果表明,本文提出的QDKD协议能够安全有效地传递预先确定的密钥给指定的目标。QDKD协议是产生随机密钥的QKD协议的必要补充,这在密钥管理方面具有重要意义。
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