基于纠缠的量子安全通信协议设计与分析

Different from classical secure communication based on computational complexity of mathematical hard problems, quantum secure communication (QSC) is established on physical laws of quantum mechanics. In theory, QSC has the properties of unconditional security and detectability on eavesdropping, so it provides a new thought and method for secure communication. In general, QSC is viewed as the most potential development direction in the secure communication filed, and shows a broad prospect of applications. This project takes QSC as the research object, and focuses on the following contents: (1) On the basis of understanding entanglement and its mathematical description, we will analyze the characteristics of multi-qubit entanglement, and then apply them to design or analyze the QSC protocols. Finally, some QSC protocols which are of high security and efficiency and easy to realize will be designed. In particular, the quantum secure communication without any unitary operation to encode or decode message will be studied, and some novel quantum communication modes will be explored too. (2) The immanent cause that two QSC protocols have something in common (e.g. the same transmission efficiency) will be analyzed by using the entanglement theory. (3) New cryptanalysis methods of QSC protocols will be explored, and avoiding using the method of exhaustive analysis, we will put forward some new attack strategies to some QSC protocols in theory, and thus give the corresponding countermeasures.

不同于基于数学困难问题之计算复杂性的经典安全通信，量子安全通信建立在量子力学的客观规律之上，理论上具有无条件安全性和窃听的可检测性，为信息的安全传输提供了新的思路和方法，被视为最有潜力的安全通信发展方向，具有广阔的应用前景。本课题以量子安全通信为研究对象，主要研究如下内容：（1）在深刻理解纠缠及其数学刻画的基础上，分析多量子比特纠缠的性质，并将之应用于量子安全通信协议的设计与分析，从而设计一批安全性良好、效率较高、容易实现的量子安全通信协议，特别地研究不需要酉操作编码或者解码信息的量子安全通信，及探索全新的量子通信模式。（2）利用纠缠理论分析两量子安全通信协议具有共性（如相同的传输效率）的内在原因。（3）探索量子安全通信协议分析的新方法，避免使用穷举分析法，从理论上对有关协议提出新的攻击策略，并给出相应的防范对策。

不同于基于数学困难问题之计算复杂性的经典安全通信，量子安全通信建立在量子力学的客观规律之上，理论上具有无条件安全性和窃听的可检测性，为信息的安全传输提供了新的思路和方法，被视为最有潜力的安全通信发展方向，具有广阔的应用前景。本课题以量子安全通信为研究对象，探索了量子纠缠的性质，并利用这些性质来解决量子安全通信问题。在探究了量子纠缠性质的基础上，以加强安全性为出发点，对量子安全直接通信、量子对话、控制型量子直接安全通信、量子广播通信等方向进行深入研究，分析和设计了一系列的量子安全通信协议，提出了新型量子安全攻击方法，并给出了相应对策，丰富了量子密码分析理论，具有较高的学术价值。具体可归纳为：1、利用量子密码分析学方法，对量子安全通信协议进行了理论分析，指出其中存在的安全性漏洞或风险，提出了改进意见或建议。（1）利用量子密码分析方法，分析了两控制型量子安全直接通信协议，指出控制者可以窃取一部分信息而不会被发送者或者接收者发现，这不符合控制型量子安全通信的安全性要求。（2）分析了一量子广播通信协议，指出它是不安全的，并提出两类新型攻击方法，说明身份标识串不可重复使用。2、利用信息理论，对量子直接通信协议进行了理论分析，指出其中存在的信息泄露问题，并提出了改进意见或建议，为后续设计真正安全的量子直接通信协议提供理论支撑。（1）从信息论角度，分析并指出了量子对话协议的信息泄露问题。从理论上指出，如果平均每一量子比特用于传输多于一比特信息，必将带来量子信息泄露问题。（2）从信息论角度，首次分析并指出了一些单向量子安全直接通信协议的信息泄露问题，为设计没有信息泄露问题的量子安全直接通信协议提供理论指导。另外，课题组在量子行走、量子图像、量子拍卖、量子远程态制备、量子计数、量子人工智能算法及量子信息等方面亦取得初步的研究成果。