基于量子不经意密钥分配的安全协议设计与分析

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伴随着互联网的出现和飞速发展,信息的交互变得愈加频繁,同时信息交互的量也急剧增长。信息的安全性成为了一个亟待解决的问题,如何保证信息的安全性成了一个重要的研究课题,密码学作为保证信息安全的重要手段,自然而然得到了广泛的关注和研究。位置隐私保护是一种在移动终端,无线通信技术和定位技术迅猛发展的情况下产生的关键安全技术,作为一种可以提供用户基于位置的服务(Location-Based Service,LBS)查询,保证用户位置隐私和服务提供商(Service Provider,SP)数据库安全的通信安全手段。盲签名作为一种信息安全技术,可应用于消息拥有者和签名者之间身份认证、消息认证,保护消息的完整性、一致性和保密性,防止交易过程中伪造和抵赖的发生。两者都是现代密码学中不可或缺的部分,但是经典方案的安全性是基于计算困难性的,例如,大整数因数分解问题和离散对数问题,随着计算机计算能力的提高,特别是量子计算机的出现,经典方案的安全性将会受到严重的威胁。量子密码学是由现代密码学与量子力学结合产生的一门新兴交叉学科,其安全性基于量子力学基本原理,建立在量子不可克隆等定理之上,可以保证无条件安全性和窃听可检测性。量子不经意密钥分配(Oblivious Quantum Key Distribution,OQKD)作为量子密码学发展过程中衍生出的重要且基础的安全技术之一,是一种不经意密钥分配方式,不仅可以保护用户方的隐私,防止数据库拥有者在用户查询数据时窃取用户隐私,而且能够保证数据库安全性,防止用户非法盗取数据库信息。本文紧随OQKD的前沿研究成果,结合位置隐私保护和代理盲签名等研究领域,提出两个基于OQKD的安全协议,并对协议进行了详细的安全性证明和效率分析。主要工作成果如下:首先,在六态量子密钥分配技术的启发下,提出了一种基于单光子六态的OQKD,降低了量子态的开销,并结合现有的电子地图基于位置的服务查询需求,提出一个实际可行保护位置隐私的量子k近邻查询协议。用户Alice和服务提供商Bob首先确定一个查询区域,将该区域细分成许许多多查询网格,网格划分的粒度由查询精度确定,然后约定一种编码方式,将查询网格进行编码;Alice和Bob通过OQKD建立不经意密钥,然后Alice利用随机置换矩阵将自己解密的部分密钥和想要查询的区域关联,同时Bob也利用随机置换矩阵对其密钥进行变换,最后Bob利用变换后的密钥加密数据库,Alice利用变换密钥解密获得近邻查询服务。协议具有很高的安全性,因为其安全性是以量子力学的基本原理为基础,而不是传统的计算困难性,特别是本协议将单光子作为量子资源,且只需作投影测量,以现有的技术极易实现。其次,结合现实生活中跨行电子支付的实际需求和OQKD提出了一个高效量子双重有序盲签名协议。消息拥有者计算经典待签名消息的Hash值,并将其编码为量子消息。把编码后的量子消息均分成两部分,分别发送给两个签名方。签名方和消息拥有者利用OQKD建立不经意的共享信息来实现签名。协议不需要制备任何纠缠资源,只需进行单粒子投影测量,在现有技术条件下易于实现。与现有双重盲签名协议相比,提出协议复杂度明显降低,且协议效率显著提高。最后,分析总结了现今已有的OQKD存在的关键性问题,并确定了以后的研究方向和研究目标。
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