噪声环境下的量子保密通信研究

The noise, which exists in a quantum channel inevitably, becomes a main obstacle to the practical implementation of quantum cryptography. In this project, the properties of quantum noise in a real environment will be analyzed. After that, based on quantum information theory, the scheme design and security analysis of quantum private communication in a noise channel will be studied. (1) Some decoherence-free states against a few common quantum noises will be constructed, and then the corresponding quantum key distributions against collective noise will be put forward. (2) Utilizing the technologies of All-or-Nothing transformation and error-correcting code, we will attempt to solve the problem about secure direct communication in a noise channel by adding a classical preprocessing procedure for secret message. (3) Drawing ideas from cipher block chaining, we want to present a modified quantum key distribution without public announcement of bases. One significant advantage of the modified protocol is that a higher key generation rate is achieved.(4) For some existing quantum secure direct communication protocol, we will try to find some potential loopholes, and propose some effictive attck methods and the corresponding defense strategies. (5) Combined unambiguous state discrimination, photon number splitting attack will be studied further. A few important criteria for a quantum cryptography protocol under this attack, e.g. efficiency and distance, will be discussed. In this way, the fruits of our research will play an active role in promoting the perfection of quantum cryptography, and take effect to the practical implementation of it.

量子信道中必然存在的噪声成为量子密码迈向实用必须克服的一个重要难点问题。本项目拟结合量子信息论的思想，分析量子信道噪声特性，对噪声环境下量子保密通信的协议设计与安全性分析进行研究。（1）在集体噪声假设下，寻找关于几种常见噪声的无消相干子空间，进而设计可抵抗不同集体噪声的量子密钥分发协议。（2）利用All-or-Nothing变换、纠错码等技术，通过添加对秘密消息的预处理过程，解决噪声信道下量子安全直接通信问题。（3）基于密码分组链接模式，提出一种改进的可重用基序列量子密钥分发协议，提高其密钥生成率。（4）对现有的量子安全直接通信协议中可能存在的安全漏洞进行分析，提出一些简便有效的攻击方法及相应的解决方案。（5）结合量子态确定性区分技术，深入研究光子数分裂攻击策略，以及如何提高协议在该攻击下的实际效率和安全传输距离。本课题的研究将对量子密码理论的完善起到一定促进作用，有助于其实际应用的推广。

本项目围绕噪声信道下的量子密码协议设计和安全性分析中的若干问题，从量子密钥分发、量子私密比较和量子签名三个方向开展研究，取得了一系列有特色的创新性成果。在量子密钥分发方面，利用Bell态构造可抵抗两类常见噪声的消相干子空间，进而设计出相应的密钥分发协议；针对量子密钥分发协议在实际量子网络中的应用，提出了可进行身份认证的多用户量子密钥分发协议，并利用单粒子、Bell态和Greenberger-Horne-Zeilinger态来实现这类协议。私密比较是安全多方计算中的一个基础密码原语。利用d维单粒子态、Bell态和x态分别设计了各具特色的量子私密比较协议；同时基于中国剩余定理，解决了多方量子私密比较（量子匿名排序）中的信号粒子维数过高的问题，提出了基于低维单粒子的量子匿名排序协议。在量子签名方面，对已有量子公平盲签名方案的安全性进行分析，并提出相应的攻击策略。在此基础上，通过使用Greenberger-Horne-Zeilinger态和经典哈希函数，设计了一个量子公平盲签名方案；对量子仲裁签名中接受者否认攻击的安全性问题进行分析，给出一个解决该问题的方法，并结合一个经典单向哈希函数和随机数设计一个不使用纠缠态的密钥可重用的量子仲裁签名方案。此外，对量子算法中的若干问题进行探索。结合最低有效位方法和纠错码技术，对健壮性量子图像水印算法的设计进行研究，提出了相应的嵌入和提取方案；利用离散量子游走的特性，设计高效的量子聚类算法。