基于位置的量子密码学理论研究

Through the tireless efforts of the project team, we achieved all the research goals of the last project, and obtained fruitful achievements which are much better than the original plan. Compared with aim of “publish more than 20 papers, in which more than 12 are published on SCI-indexed journals and 5 on international ones”, 51 relevant papers were published on SCI-indexed journals, among which 38 appeared on international ones, including 8 papers on the authoritative journals Physical Review A, IEEE Journal of Quantum Electronics, and Quantum Information and Computation. . This project studies some important theoretical issues in position-based quantum cryptography, especially the following contents: to find new security models of quantum position verification, which are beyond the limitation of no-go theorem, and design secure quantum position-verification protocols in these models; to study the security of quantum position-verification protocols in the standard model where the amount of entanglement shared among the attackers is limited, and give tight bounds on this amount; to design position-based quantum cryptographic protocols such as signature, secret sharing, key agreement and message authentication, etc.; to resolve the potential problems which might appear in the real application of position-based quantum cryptography. The results of this project will promote the development of position-based quantum cryptography, and provide theoretical supports for its possible implementation in the future.

课题组已经超额完成了青年科学基金项目中的所有研究目标。该项目的预期考核指标为“发表论文20篇以上，其中SCI 刊源论文12篇以上，国际期刊论文5篇以上”。目前项目组已经发表SCI刊源论文51篇，其中国际期刊论文38篇，包括权威国际期刊PRA 4篇、IEEE JQE 2篇、QIC 2篇。. 本项目主要研究基于位置的量子密码学中的关键理论问题，包括：探索不受no-go定理约束的新的量子位置认证模型，并给出安全的量子位置认证协议；研究在标准模型下攻击者共享纠缠量受限的情况下量子位置认证协议的安全性，给出攻击成功所需纠缠量的更紧致的界；设计基于位置的签名、秘密共享、密钥协商及消息认证等量子密码协议；解决基于位置的量子密码学在实际应用中可能面临的特殊需求问题。本项目研究成果将有力推动基于位置的量子密码学的快速发展，并为未来可能的实际应用提供理论支持。

课题组主要对基于位置的量子密码理论，特别是量子位置认证（Quantum Position Verification, QPV）的相关内容展开研究，主要研究成果包括以下几方面：.1. 提出了多种新型QPV协议。课题组发现了针对QPV的no-go定理及其所攻击的QPV协议模型中的四条隐含假设，通过打破一条或多条隐含假设，提出了多种不同于先前模型的QPV协议。其中部分上述协议能够成功抵抗原no-go定理所采用的瞬时非局域量子计算（Instantaneous Nonlocal Quantum Computation, INQC）攻击。.2. 提出了针对QPV协议的加强版no-go定理。虽然上面提出的部分新型QPV协议可以使INQC攻击失效，但课题组发现它们都能被另一种更强大的攻击策略——超密INQC攻击所攻破，于是课题组扩充了原no-go定理所攻击的QPV协议模型，提出了针对QPV协议的加强版no-go定理。.3. 提出了在攻击频率受限模型下安全的非同时性QPV（Non-Simultaneous QPV, NSQPV）。在考虑QPV的实际安全性时，大部分学者都着眼于攻击者的量子存储能力；课题组提出了攻击者的攻击频率无法无限大这一实际问题，并设计了在该模型下安全的NSQPV协议。同时课题组还证明了一个具体的NSQPV协议在频率受限模型下的安全性。.4. 受到基于位置的密码协议启发，课题组设计了多种包括量子秘密共享、量子密钥协商、量子签名等不同类型量子密码协议。此外，课题组还在量子保密查询、量子随机数发生器等方面取得了一系列成果。.在项目期间，课题组总计发表SCI检索论文52篇，其中二区以上期刊论文35篇。超额完成了计划任务。