基于量子干涉原理的量子密码协议研究

量子密码在信息保护和保密通信方面具有良好的安全性优势，随着其实用化进程的不断发展，量子密码势必会在军事、商业等高安全性领域内发挥关键作用。本项目从量子干涉的基本原理出发，结合现有成果和最新进展，充分开发各类量子干涉特性在量子密码研究中的应用。主要包括：设计新颖的量子密码协议，重点研究量子干涉原理在包括量子秘密共享在内的多方密码协议中的应用；同时分析现有量子密码协议的优缺点，探索采用量子干涉理论对其不足之处进行改进的可行性，力求达到效率更高、安全性更高且实用性更强的研究目标；基于量子干涉特性，设计具有针对性或者普适的量子密码攻击方案，并综合运用量子信息计算理论分析其效率。目前，量子密码研究中关于量子干涉特性的应用开发只局限在有限的几种干涉上。对多种量子干涉特性在量子密码应用方面的可行性和实用性进行广泛而深入的探索，从而促使量子密码更好更快地发展，具有非常重要的科学意义和应用前景。

本课题从量子干涉的基本原理出发，结合了量子密码现有成果和最新进展，开发了量子干涉等关键技术在量子密码研究中的应用，重点研究了量子干涉等量子关键技术在包括量子秘密共享、量子密钥协商、量子保密比较在内的密码协议中的应用。该项目研究工作主要研究成果包括：（1）研究了量子秘密共享协议的相关问题。我们基于量子干涉原理，利用Mach-Zehnder干涉装置，提出了一种新的分割量子信息的方法，并基于该方法设计完成了共享量子态的三方和多方量子秘密共享方案；讨论并尝试以安全、实际、可行的方式解决现实的秘密共享网络扩展问题，设计了一个可扩展的量子秘密共享网络方案，为量子秘密共享网络提供了一种灵活地添加用户的方法；此外，还分析了相位阻尼信道下基于两类三粒子态的三方量子秘密共享协议的安全性。（2）研究了量子秘密比较的相关问题，包括在非理想信道条件下的量子秘密比较实现和安全性问题。基于Bell态和一个半可靠的第三方提出了一种新颖的量子秘密比较协议；还提出了一个基于单粒子和联合检测的高效的量子秘密比较协议。（3）首先基于EPR对和单粒子测量提出了一个量子密钥协商协议。此外，利用四粒子无消相干态作为量子信息载体，并且运用单粒子测量作为主要的量子操作，提出了一个能够抵抗集体消相干作用的量子密钥协商协议。（4）研究了量子签名协议中的重要分支——量子群签名协议的安全性。通过研究发现，在量子群签名协议中，仲裁者并不能够在出现纠纷的时候公平、合理的解决纠纷。同时，还分析了仲裁量子签名的安全性问题，证明直接设计量子一次一密算法并不能抵御接收者的伪造攻击，为了提高安全性必须引入一些辅助性安全策略。（5）对2010年Loukopoulos和Browne提出的量子多方计算协议进行了改进，改进方案能够防止合谋者通过替换粒子和经典信息交换进行的攻击。