量子保密通信安全性的理论研究

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近年来,随着信息科学和技术的不断发展,互联网和无线通信网络的出现,信息泄露问题也日益严重,因此,如何提高通信的保密性和安全性成了信息领域所面临的严峻问题。由于量子通信的安全性是由量子力学原理保障的,理论上具有无条件的安全性,因此成为信息学领域研究的热点课题。未来量子信息处理面临着三个方面的挑战,即信息传输的高速度,存储的大容量以及通信的高安全性。虽然在现有的研究中,已经出现了很多量子保密通信协议,但是由于这些协议都或多或少地存在安全漏洞,并且针对量子保密通信的攻击方式也层出不穷,因此,寻找更加安全高效的、具有更强保密性的安全通信协议成为量子信息领域研究的一个重要内容。  本文中,我们围绕量子通信的保密安全方案进行了研究。在分析了几种典型的量子保密通信方案安全性的基础上,提出了几种量子保密通信的安全策略和具体方案。  第一章中简要介绍了量子保密通信发展的历史背景以及国内外研究现状与分析,提出了本文的主要研究内容,研究目的和意义;  第二章对量子保密通信的基本原理作了必要的阐述,包括量子保密通信的量子力学理论基础以及保密通信系统的基本组成要素。介绍了量子信源、量子信道、量子信宿等概念,说明了量子保密通信系统与经典保密通信系统的区别。  第三章中,围绕量子保密通信方案的安全保障机制进行了研究。通过分析几种典型的量子保密通信方案的安全机制,指出了所存在的安全漏洞。为了提高信息处理的安全准确性,从物理系统本身特性出发,研究了系统的消相干特性,以及对量子比特操作的鲁棒性。作为提高安全性的辅助手段,首先提出了借助于Kerr介质抑制系统的消相干,以及选择适当的原子运动和场模结构参数避免原子质心运动产生的消相干效应。其次,利用压缩算符驱动腔场进行周期性演化的方法,构造具有容错能力的量子逻辑门,提高了对量子比特操作的准确性。  第四章中提出了基于粒子秘密传送次序的安全通信策略。基于这一策略,分别采用EPR纠缠对和光子的偏振基构建了量子安全直接通信方案。首先,利用EPR对作为量子信息载体,提出了往返传送粒子和单程传送粒子的量子安全直接通信方案。这两种方案实际是对Ping-Pong方案的两种改进,弥补了Ping-Pong方案的安全漏洞。其次,利用极化光子的偏振基,基于量子力学测不准原理,提出了量子安全直接通信方案。同时,将上述量子安全直接通信方案进一步推广到双向通信形式,提出了量子对话方案,在保证通信安全性的同时,使通信双方能够交换信息,极大地提高了通信的效率。  对以上方案的安全性分析表明,基于粒子秘密传输次序的策略能够有效地保证并提高通信的安全性。  第五章提出了基于直积态复合空间的策略。研究了两个三态粒子直积态复合Hilbert空间中正交完备集的性质。由于两个三态粒子的复合空间共有18个,并且两个粒子的直积态完备集具有关联性,将它们的直积态作为量子信息载体时,不仅能够提高编码效率,而且提高了通信的安全性。基于这一特点,我们提出了一个量子密钥分配方案以及受控量子安全通信方案。对方案的安全性分析说明,将三态粒子直积态用于量子信息处理,不仅具有大容量、高效率的优点,而且能够保证安全性。
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