硕士论文-基于信息安全的量子密钥传输协议

中国海洋大学硕士学位论文基于信息安全的量子密钥传输协议姓名：马鸿洋申请学位级别：硕士专业：计算机应用技术指导教师：郭忠文20060601基于信息安全的量子密钥传输协议作者：马鸿洋学位授予单位：中国海洋大学相似文献(10条)1.学位论文苏昶量子计算技术及其在信息安全中的应用研究2007量子计算是应用量子力学原理来进行有效计算的新颖计算模式，它借助量子位的态叠加特性能能够实现传统计算机无法实现的并行计算。量子计算对于在物理上具体实现量子密码、量子通信和量子计算机均具有实际的意义，目前它已成为智能信息处理中的一个研究热点，特别是在信息安全中具有广阔的应用前景。本论文在分析量子计算技术基础上，提出改进的量子搜索算法以及量子计算智能算法，并应用于背包公钥密码系统、数据库挖掘和网络异常入侵检测等信息安全领域。主要研究内容和创新性工作如下：（1）提出了一种改进的Grover量子搜索算法。由于Grover量子搜索算法及Long的改进算法均无法达到100％成功概率的搜索结果,为此在Long的改进算法基础上研究了一种新的搜索算法，即主要将相位取反替换成一个具有自适应调整特点的、与目标数据量和数据总量有关的相位旋转，当目标数据量为数据总量的1/2时，将数据总量扩展成2倍，这样的搜索算法可以做到100％的成功概率。仿真实验表明其改进算法效果显著。（2）提出了基于量子粒子群优化算法（QPSO）的加权最小二乘支持向量机（WLS-SVM）方法。从量子力学的理论支撑---薛定谔方程入手，将量子不确定性原理与再现群智能技术的粒子群优化算法（PSO）结合在一起，构造出量子粒子群优化算法（QPSO），进而得到一种基于QPSO的WLS-SVM算法，其中将LS-SVM的核函数进行重组，构成混合核函数，提高了泛化能力；在LS-SVM中增加一个自适应权值，可以实现对不同数据的自适应变化；采用QPSO算法作为WLS-SVM的学习算法，可以加快迭代收敛速度和提高分类精度。（3）研究了量子计算技术在信息安全中几个方面的应用。将改进的Grover量子算法分别应用于背包公钥密码系统和数据库挖掘，在背包公钥密码系统中可以实现对密钥的快速准确的搜索，达到100％的搜索成功概率。在数据库挖掘中对模式集中的目标态进行搜索，加快了搜索时间、提高了搜索精度，其应用效果远优于传统搜索算法。在网络异常入侵检测中，应用基于QPSO的WLS-SVM算法效果显著，特别是对于小样本数据量具有良好的预测能力。2.学位论文李恕海量子密码若干问题研究2008量子密码是一种以量子力学体系为基础的密码学资源，对于信息安全有着重要的意义。本文依托量子力学体系的数学框架，重点研究了量子密钥分配协议和量子加密算法的无条件安全性，根据这些理论基础取得了如下研究成果：1.量子密钥分配协议的本质在于非正交量子状态具有窃听检测功能，因此如何检测发生在量子状态上的错误是量子密钥分配协议成功与否的关键。目前大多数的量子密钥分配协议都使用交换的平行测量基|0，|l和对角测量基|+，1-)来检测发生在任意单量子上的任何错误。本文对Bell测量基{|φ+，|φ-，|ψ|ψ-}的窃听检测策略进行了详细的分析，论证了Bell测量基作为窃听检测策略的合理性，并基于此设计了四维Hilbert空间上的密钥分配协议，在同样安全性以及密钥生成率的条件下，显著地减少了经典信道和量子信道上的通信量。2.根据对：Bell测量基窃听检测能力的研究，本文全面地分析了两个使用对随机位置置乱EPR对构成非正交量子状态的量子密钥分配协议的安全性，证明了这两个协议是完全等价的，并指出这两个密钥分配协议在确定窃听行为造成的错误数量上有一个缺陷，并修正了这个安全性上的不足。3.量子密钥分配协议成功的另一个必须要满足的条件是确定量子状态上窃听者导致的错误数量。目前最重要的方法是随机抽样定理，因为随机抽样定理能够对非法破译者的窃听行为造成的错误数量提供一个指数级准确的上界，用以判断能否应用量子纠错或者经典的信息调和与保密增强，将破译者得到有关最终测量结果的信息减少到指数无穷小。本文对随机抽样定理进行了改进，从单样本抽样情况推广到多样本抽样。令使用随机抽样作为检错手段的量子密钥分配协议的效率得到显著的提升。4.量子力学对密码学的贡献不止是密钥分配。对于使用非正交的量子状态来加密经典和量子明文，同样具备某些经典对称密码体系没有的属性。具体表现在，量子密文具有窃听检测功能；在攻击者的已知明文攻击策略下，不同的攻击方式获得的密钥信息量也不同。为了公式化地刻画量子加密算法的这些属性，本文论述了量子安全信道的概念，给出了使用BB84编码的量子安全信道在Collective和Coherent已知明文攻击策略下的密钥熵及其上下界的一些结果。5.经典密码理论也能够为量子密码服务。本文利用经典的Hash认证函数取代随机抽样定理来确定窃听行为的具体数量，从而避免了在认证经典信道上反复审核检测位置和测量结果等信息这一相对繁琐的过程。将量子加密算法与经典认证码相结合，文中提出了两个分别基于量子密钥重用和量子加密的安全算法，使得量子密码协议更加接近实用体系。这些密码学算法的共同特点是在几乎不损失安全性的前提下变得更有成效。3.学位论文黄鑫量子密钥分发协议的若干研究2008从古至今，人们都渴望能够进行秘密的通信。现在，信息交流在人们的工作和日常生活中扮演着越来越重要角色，信息的安全性也因此获得了比以前更大的关注。在经典的通信过程中(主要是电子通信)，信息的安全性是基于数学理论的，它靠增加信息的破译难度来提高信息的安全性。但是，信息在信道中传输时可能被复制，窃听者因此可以想办法对此信息进行破译而不被发现，这种基于数学理论的信息加密方法并不能从根本上保证信息的安全性，当窃听者有足够的运算能力时，通信的安全性就会受到威胁。量子力学的发展为我们带来了一种全新的信息加密方式——量子密码学，量子密码学基于微观粒子的量子特性，量子特性和宏观世界中的电磁规律有许多本质上的不同，能够从根本上保证窃听者不能有效地、隐蔽地获取信息。本文主要考虑量子密钥的分发问题。量子密钥与经典密钥相比有许多新特性，这些新特性是建立在量子力学基础之上的，本文首先介绍量子密钥的一些物理基础；量子密钥的研究已经进行了多年，并且取得了丰硕的成果，本文接着要对此进行概述；量子力学的研究越来越深入，许多新的量子特性逐渐被揭示出来，本文的最后一部分将给出几种基于这些新特性的量子密钥分发方案。4.学位论文喻擘基于腔泄漏的量子信息的实现2004量子信息是结合了量子力学和信息理论的一个新兴的交叉领域,它在好几个方面被期待能够超越信息技术的物理极限,包括信息安全、运算速度和信息容量等.潜在的巨大应用前景推动了量子信息的高速发展,但是前进的道路不是那么平坦.研究人员们很久以来一直被消相干所困绕.量子系统和它周围环境之间不可避免的相互作用将会破坏系统内部的相干演化,导致一个消相干的过程.一般来说,这种过程彻底被看作是复面的过程,没有人会期望这样一个过程在量子信息处理中会起到有益的作用.因此,到现在为止,主要的研究方法都是尽可能地把系统和环境隔离开.但是,最近的研究趋于打破这个陈规.事实上,我们可以通过设计精巧的方案,代替和消相干对抗,反而把它作为一个建设性的角色利用起来.例如,腔的泄漏就可以是一个有正面效果的消相干过程.在光学腔量子电动力学系统里,因为介质反射镜的不完美,腔模不可避免地要和外界的场发生耦合.腔场的泄漏会损坏系统的相干性,但另一方面,腔场的泄漏同样可以被用来辅助量子信息的实现.该文的主要内容是研究基于腔泄漏的量子信息的实现中的一些萤要问题.1.通过探测腔的泄漏产生多原子的纠缠态;2.通过探测腔的泄漏实现稳健的高保真的原子态的隐形传送.5.期刊论文刘瑶.朱甫臣.LIUYao.ZHUFu-chenAES算法的量子线路实现-信息安全与通信保密2008,(6)量子信息学,是量子力学与信息科学相结合的产物,是以量子力学的态叠加原理为基础,研究信息处理的一门新兴前沿科学.在信息安全方面,量子物理学以意想不到的方式给我们带来了全新的思路和技术.文中设计了分组密码AES的量子线路模拟方案,并使用C++程序语言模拟了AES的量子线路实现.6.学位论文杜茜华利用腔QED系统和cross-kerr介质制备纠缠态及实现量子隐形传态2008量子信息科学是将量子力学应用于信息科学而形成的一门新兴交叉学科，它包括量子密码术、量子通信和量子计算等。量子信息学在许多方面有着经典信息学所无法比拟的优势，比如在提高运算速度、确保信息安全、增大信息容量和提高检测精度等方面量子信息学有可能突破现有的经典信息系统的极限。量子纠缠是检验量子力学基本问题的有力工具，也是量子信息科学最基本的资源。特别是多比特纠缠态，在量子信息科学中起着更为重要的作用。因为多比特纠缠态具有更为特殊的结构和性质，应用在量子信息处理过程中将会产生许多特殊的现象，例如受控量子隐形传输、受控密集编码、量子多方通讯、量子密码和分布式量子计算等。在多比特纠缠态中，比较常见的纠缠态有GHZ态、W态和Clusterstates等。作为最近(2000年)刚提出的一种纠缠态，Clusterstates自提出就引起了人们极大的关注，这类纠缠态不仅具有比GHZ态稳固、抗消相干能力更强的特点，而且可用来制备GHZ态和实现仅需要单比特量子态测量的one-way量子计算，从而解决了基于大量逻辑门的量子计算机保真度不高，很难构建大的量子网络的难题。量子隐形传态是Bennett等人在1993年首次提出的，被认为是量子计算和量子信息处理的一种非常有用的而且是很简单的操作。量子隐形传态应用了量子特性来实现信息的传送和处理，提高了通讯的安全性，是量子信息处理的一个重要分支。腔QED系统为量子信息处理提供了一个理想的物理实现平台，而cross-kerr介质由于其捉供简单而亢观的物理实现也吸引了人们的兴趣。本文主要研究了如何在腔QED系统中克服和利用消相干效应实现量子态传送和制备量子纠缠态，在cross-kerr介质系统中制备纠缠量子态。主要内容包括：1、利用腔泄漏消相干效应制备多光子GHZ态GHZ态是一种重要的多粒子纠缠念，已被人们大量地用于量子通讯，如秘密共享、多比特量子传送和受控量子密集编码等方案中。另外，光子是最佳的飞行比特，它的两个极化方向作为量子比特很有优势，如量子比特可以通过制备多个单光子脉冲进行扩展，可以通过精确的极化旋转来实现光子的单比特操作等。基于腔泄漏效应我们提出一个制备多光子GHZ态方案。将n对具有相同初态的单光子脉冲连续地注入一个囚禁单原子的双边泄漏腔并被反射，当对原子进行探测后，就可制备2n光子GHZ态。在理想情况下，该方案的成功概率接近100％。2、利用cross-kerr非线性相互作用制备四光子Cluster态Cluster态作为一种最近刚提出的特殊的多比特纠缠态，它具有强的纠缠保持能力(largepersistencyofentanglement)，是one-way量子计算机的资源。因此，自提出后就广受人们的关注。基于cross-kerr非线性相互作用我们提出两个制各四光子Cluster态方案。两个相干光场在kerr介质中进行相互作用，通过选择合适的相互作用时间，并对探测光进行零拍探测，就可以制备四光子Cluster态。该方案仅使用了kerr介质和对相干光进行零拍探测，这些在实验上可以有效地实现。并且，弱的cross-kerr相互作用就足够了，这就更增加了实验上的可行性。3、非最大量子纠缠信道的量子态传送由于量子系统不可避免地与周围环境发生相互作用，产生消相干效应，在存储或传送量子比特时，量子比特的纠缠程度急剧下降，量子信道通常不是处于最大纠缠态，而是处于非最大纠缠态。因此我们讨论在腔QED中如何利用非最大三粒子纠缠GHZ态实现未知单原子态、两原子纠缠态的概率隐形传送。在量子态传送过程中需要引入一个辅助粒子以解决使用非最大纠缠量子信道导致的态畸变问题。本方案在两原子与腔相互作用的整个过程中，经典场同时