量子密钥分发及多方秘密共享协议研究

Aimed at the Based on the basic principles of quantum mechanics and current research hot spots of quantum key distribution and quantum secret sharing, different types of quantum cryptography protocols are evaluated and studied by the combination of quantum states, quantum entanglement theory and the derived mathematical formulas. By the research of point to point protocol for quantum key transmission, more than three-party key sharing system and quantum signature, high-efficient multi-party quantum communication dialogue mode can be constructed. The improved ideas and methods are proposed through the evaluation and attack strategy analysis for original insecure protocol, which provides new concept and design thought for the rich expansion and application of quantum cryptography.

本项目基于量子力学的基本原理，针对当前的量子密钥分发和量子秘密共享的研究热点，将量子态、量子纠缠理论和数学公式推导相结合，开展以下研究：首先评估不同类型的量子密钥分发协议；其次研究三粒子至N粒子多方量子秘密共享协议；最后设计安全的量子盲签名。从点到点量子密钥分发到三方以上的秘密共享体系，构建安全高效的多方量子通信网络。为量子密码学的丰富扩展和推广应用提供新的观念和设计思想。

量子密码学是在经典密码学的基础上，利用量子力学原理对量子信息完整性，不可否认性以及不可伪造性进行保护。其中量子密钥分发（Quantum Key Distribution，QKD）、量子秘密共享（Quantum Secret Sharing，QSS）和量子签名（Quantum Signature，QS）是目前研究的前沿领域。本项目深入探讨了量子密码的理论基础，对现有的方案进行了研究分析，发现其中的问题，并分别提出了安全的量子密钥分发方案、基于身份认证的半量子秘密共享协议（Semi-Quantum Secret Sharing，SQSS）和具有灵活追踪性质的仲裁量子群盲签名（Arbitrated Quantum Group Blind Signature，AQGBS）系统。.（1）查询和归纳了目前的QKD方案，本项目设计了基于Grover算法的多方量子密钥协商（Multi-party Quantum Key Agreement，MQKA）协议。Grover算法的并行特性可以加速搜索目标信息并降低复杂度，设计的MQKA协议很好的体现了参与者在密钥协商过程中的公平性和安全性，并对密钥分发协议在一些场景下进行了一些应用。.（2）创新性的把身份认证思想与SQSS协议相结合，利用GHZ态作为量子载体，提出了一种新颖的基于身份认证的SQSS协议，在该方案中两个经典参与方Bob和Trent通过使用三粒子GHZ纠缠态执行相互身份验证并完成半量子秘密共享协议。与现有的QSS协议相比，半量子思想不要求所有参与者都具备量子能力，消耗的量子资源成本更少，所提出的协议更容易在实际应用中实现。另外与现有的SQSS文献进行了评估对比分析，该协议能够抵御大部分的攻击，如拦截-重发攻击、纠缠-测量攻击、修改攻击和参与者攻击。.（3）从加密算法和追踪性角度，对两个典型方案和现有的AQS多比特签名方案进行研究分析，发现其中存在设计缺陷。另外，监督者的仲裁功能也会被限制。因此，全方位构思了具有灵活应变能力的签名方案，创新性的提出了一个AQGBS系统，其中包括签名验证和灵活追踪两个子系统。在链式CNOT操作的基础上构造了一个改进的加密算法，利用Grover搜索算法的迭代原理和并行特性，弥补了链式 CNOT操作的缺陷，保证了AQGBS签名验证系统的安全性。此外，该方案还引入了受控量子对话对签名密钥进行分发，与现有