量子保密通信協(xié)議的設(shè)計(jì)與分析

前言

　　人們的生活離不開交流和溝通.從電報(bào)、電話等通信工具的出現(xiàn)，到通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)的飛快發(fā)展，人們相互間的交流越來越便利，需要交換的信息也與日俱增.在特定情況下，人們往往只想讓期望的人看到自己發(fā)送的信息，而不希望其他人也得到這些信息.這一點(diǎn)在軍事領(lǐng)域和商業(yè)領(lǐng)域尤其突出，一條軍事機(jī)密的泄漏可能會(huì)導(dǎo)致戰(zhàn)爭(zhēng)的失敗，一條商業(yè)機(jī)密的公開可能會(huì)給公司帶來巨額經(jīng)濟(jì)損失，隨著人們對(duì)信息保密的要求日益提高，保密通信研究也在不斷發(fā)展和壯大，其基本目的就是確保用戶間的秘密消息能夠在公開信道中可靠地傳輸?！　≡诒Ｃ芡ㄐ胖校ǔ７Q消息發(fā)送者為Alice，接收者為Bob，而竊聽者為：Eve.為了達(dá)到保密的目的，Alice在發(fā)送消息前先利用加密密鑰，根據(jù)一定的加密算法將要發(fā)送的消息M（即明文）加密，得到密文C，然后把密文C通過公開信道傳輸給Bob.Bob收到這些信息后可以用相應(yīng)的解密密鑰和解密算法由密文C恢復(fù)出明文M，從而得到Alice的真實(shí)消息.一般地，由于竊聽者Eve不知道相應(yīng)的解密密鑰，即使她竊聽到傳輸?shù)拿芪腃，也不能恢復(fù)出明文消息M.這就是保密通信的基本原理，其安全性取決于密鑰的安全性.現(xiàn)代密碼體制主要包括對(duì)稱密碼體制和公鑰密碼體制兩類，它們?cè)趹?yīng)用中各有特點(diǎn).對(duì)稱密碼體制常用來直接對(duì)明文消息進(jìn)行加密和解密，速度快且對(duì)選擇密文攻擊不敏感；公鑰密碼體制則主要用于密鑰分發(fā)及數(shù)字簽名等.因此在實(shí)際應(yīng)用中一般采用混合密碼系統(tǒng)，即用公鑰密碼體制在通信者之間分發(fā)會(huì)話密鑰，然后用會(huì)話密鑰通過對(duì)稱密碼體制來對(duì)通信消息進(jìn)行加密。　　大多數(shù)經(jīng)典密碼體制的安全性是建立在計(jì)算復(fù)雜性基礎(chǔ)上的.也就是說，竊聽者要想破譯一個(gè)密碼系統(tǒng)，需要在有限的時(shí)間f即秘密消息的有效期）內(nèi)解決某個(gè)計(jì)算難題.而根據(jù)計(jì)算復(fù)雜性假設(shè)，這種任務(wù)通常在當(dāng)前人們的計(jì)算能力下很難實(shí)現(xiàn).這正是經(jīng)典密碼體制的安全性基礎(chǔ).但是，隨著分布式計(jì)算和量子計(jì)算的發(fā)展，這種密碼體制的安全隱患越來越突出.以1994年Shot提出的量子并行算法為例，它能在多項(xiàng)式時(shí)間內(nèi)解決大數(shù)因子分解難題.一旦這種算法能夠在量子計(jì)算機(jī)上付諸實(shí)施，現(xiàn)行很多基于此類難題的公鑰密碼體制將毫無安全性可言。

內(nèi)容概要

　　《量子保密通信協(xié)議的設(shè)計(jì)與分析》以作者及其課題組多年的研究成果為主體，結(jié)合國(guó)內(nèi)外學(xué)者在量子保密通信領(lǐng)域的代表性成果，對(duì)這一領(lǐng)域的幾個(gè)主要研究?jī)?nèi)容作了系統(tǒng)論述，并提出一些與之緊密相關(guān)的新研究課題。全書分四部分（共8章）。第一部分為量子保密通信研究所需的量子力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)（第1章）；第二部分為量子密碼協(xié)議的設(shè)計(jì)，主要包括量子密鑰分發(fā)與身份認(rèn)證、量子秘密共享、量子加密、量子安全直接通信（第2～5章）；第三部分為量子密碼協(xié)議的分析（第6章）；第四部分為量子隱形傳態(tài)以及與量子保密通信密切相關(guān)的量子糾錯(cuò)碼（第7、8章）。重點(diǎn)從密碼學(xué)的角度闡述了量子密碼協(xié)議的設(shè)計(jì)與分析?！　　读孔颖Ｃ芡ㄐ艆f(xié)議的設(shè)計(jì)與分析》既可作為對(duì)量子保密通信感興趣的讀者的入門教材，也可作為量子保密通信領(lǐng)域研究工作者的參考用書，適合于密碼學(xué)、信息安全、信息與通信系統(tǒng)、信號(hào)與信息處理、物理學(xué)、數(shù)學(xué)及相關(guān)學(xué)科的高年級(jí)本科生、研究生、教師和科研人員閱讀參考。

書籍目錄

第1章 量子力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)1.1 基本概念1.1.1 狀態(tài)空間和量子態(tài)1.1.2 完備正交基1.1.3 量子比特1.1.4 算子1.1.5 測(cè)量1.1.6 表象及表象變換1.1.7 密度算子1.1.8 Schmidt分解和糾纏態(tài)1.1.9 糾纏交換1.1.10 密集編碼1.2 基本原理1.2.1 測(cè)不準(zhǔn)原理1.2.2 量子不可克隆定理1.2.3 非正交量子態(tài)不可區(qū)分定理參考文獻(xiàn)第2章 量子密鑰分發(fā)與身份認(rèn)證2.1 兩個(gè)基本的密鑰分發(fā)協(xié)議2.1.1 BB84協(xié)議2.1.2 GV95協(xié)議2.2 兩類量子密鑰分發(fā)協(xié)議的共同本質(zhì)——信息分割2.3 不需要交替測(cè)量和旋轉(zhuǎn)的量子密鑰分發(fā)方案2.3.1 協(xié)議描述2.3.2 安全性分析2.3.3 結(jié)束語(yǔ)2.4 基于Bell基與其對(duì)偶基的量子密鑰分發(fā)方案2.4.1 兩級(jí)系統(tǒng)量子密鑰分發(fā)協(xié)議2.4.2 d級(jí)系統(tǒng)中的糾纏交換2.4.3 d級(jí)系統(tǒng)中Bell基與其對(duì)偶基的關(guān)系2.4.4 d級(jí)系統(tǒng)量子密鑰分發(fā)協(xié)議2.4.5 三級(jí)系統(tǒng)中在一對(duì)對(duì)偶基下進(jìn)行的糾纏交換2.4.6 結(jié)束語(yǔ)2.5 利用不可擴(kuò)展乘積基和嚴(yán)格糾纏基的量子密鑰分發(fā)方案2.5.1 3*3Hilbert空間的UPB和EEB的構(gòu)造2.5.2 協(xié)議描述2.5.3 安全性分析2.5.4 到n*n系統(tǒng)的推廣2.5.5 結(jié)束語(yǔ)2.6 基于w態(tài)的量子密鑰分發(fā)方案2.6.1 w態(tài)的特點(diǎn)2.6.2 協(xié)議描述2.6.3 安全性分析2.6.4 結(jié)束語(yǔ)2.7 量子密鑰分發(fā)中身份認(rèn)證問題的研究現(xiàn)狀及方向2.7.1 幾種主要的身份認(rèn)證協(xié)議及分析2.7.2 量子身份認(rèn)證協(xié)議的基本要求及發(fā)展方向2.8 一種量子密鑰分發(fā)和身份認(rèn)證方案2.8.1 協(xié)議描述2.8.2 安全性分析及其他性質(zhì)2.8.3 結(jié)束語(yǔ)2.9 一種網(wǎng)絡(luò)多用戶量子認(rèn)證和密鑰分發(fā)理論方案2.9.1 分布式客戶機(jī)/服務(wù)器認(rèn)證結(jié)構(gòu)2.9.2 網(wǎng)絡(luò)多用戶量子認(rèn)證和密鑰分發(fā)理論方案2.9.3 安全性分析2.9.4 結(jié)束語(yǔ)2.10 注記參考文獻(xiàn)第3章 量子秘密共享3.1 HBB協(xié)議3.2 基于多粒子糾纏態(tài)局域測(cè)量的量子秘密共享方案3.2.1 協(xié)議描述3.2.2 安全性分析3.2.3 推廣到多方秘密共享3.2.4 結(jié)束語(yǔ)3.3 基于Bell態(tài)局域測(cè)量的量子秘密共享方案3.3.1.協(xié)議描述3.3.2 安全性分析3.3.3 結(jié)束語(yǔ)3.4 基于局域操作的量子秘密共享方案3.4.1 協(xié)議描述3.4.2 安全性分析3.4.3 推廣到多方秘密共享3.4.4 結(jié)束語(yǔ)3.5 基于糾纏交換的環(huán)式量子秘密共享方案3.5.1 協(xié)議描述3.5.2 安全性分析3.5.3 推廣到多方秘密共享3.5.4 結(jié)束語(yǔ)3.6 基于經(jīng)典密鑰的高效量子秘密共享方案3.6.1 基于GHZ態(tài)的量子秘密共享協(xié)議描述3.6.2 安全性分析3.6.3 基于Bell態(tài)的量子秘密共享協(xié)議3.6.4 結(jié)束語(yǔ)3.7 基于Grove算法的門限量子密碼方案3.7.1 基于Grover算法的2量子比特操作3.7.2 基于Grover算法的（t，n）門限量子方案3.7.3 安全性分析3.7.4 特洛伊木馬攻擊可以被檢測(cè)3.7.5 結(jié)束語(yǔ)3.8 注記參考文獻(xiàn)第4章 量子加密4.1 兩種基本加密算法4.1.1 基于經(jīng)典密鑰的量子加密算法4.1.2 基于量子密鑰的量子加密算法4.2 d級(jí)系統(tǒng)量子加密算法4.2.1 d級(jí)系統(tǒng)中的態(tài)和門4.2.2 d級(jí)系統(tǒng)量子加密算法.4.2.3 安全性分析4.2.4 糾錯(cuò)4.2.5 結(jié)束語(yǔ)4.3 注記參考文獻(xiàn)第5章 量子安全直接通信5.1 BF協(xié)議5.2 對(duì)BF協(xié)議的改進(jìn)及其安全性分析5.2.1 改進(jìn)的BF協(xié)議5.2.2 安全性分析5.2.3 結(jié)束語(yǔ)5.3 注記參考文獻(xiàn)第6章 量子密碼協(xié)議的分析6.1 對(duì)一種量子考試協(xié)議的竊聽與改進(jìn)6.1.1 量子考試方案簡(jiǎn)介6.1.2 竊聽策略描述6.1.3 改進(jìn)方案6.1.4 結(jié)束語(yǔ)6.2 對(duì)基于d級(jí)推廣Bell態(tài)的QKD協(xié)議的攻擊6.2.1 KBB協(xié)議簡(jiǎn)述6.2.2 竊聽策略描述6.2.3 結(jié)束語(yǔ)6.3 一次一密亂碼本不能用來提高量子通信的效率6.4 重新審視量子對(duì)話和雙向量子安全直接通信的安全性6.4.1 對(duì)NBA和MZL協(xié)議的分析6.4.2 對(duì)Jz協(xié)議的分析6.4.3 對(duì)MXN協(xié)議的分析6.4.4 信息泄漏與重復(fù)使用密鑰的OTF’的等價(jià)性6.4.5 結(jié)束語(yǔ)6.5.共享參考系的一致性需要重新考慮6.6 對(duì)基于可重用GHZ載體的量子秘密共享協(xié)議的竊聽6.6.1 BK協(xié)議簡(jiǎn)述6.6.2 外部攻擊6.6.3 參與者攻擊6.6.4 結(jié)束語(yǔ)第7章 量子隱形傳態(tài)第8章 量子糾錯(cuò)碼

章節(jié)摘錄

　　第6章　量子密碼協(xié)議的分析　　眾所周知，密碼編碼學(xué)和密碼分析學(xué)是密碼學(xué)的兩個(gè)重要組成部分。密碼編碼學(xué)主要研究對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行變換的原理、手段和方法，目的是為了設(shè)計(jì)出安全的密碼體制。密碼分析學(xué)主要研究消息的破譯和消息的偽造，試圖發(fā)現(xiàn)明文或密鑰。盡管密碼編碼學(xué)和密碼分析學(xué)表面看來相互對(duì)立，但在整個(gè)密碼學(xué)的發(fā)展中，它們卻是相輔相成、互相促進(jìn)的。一般而言，一種先進(jìn)的密碼算法被設(shè)計(jì)出來后，密碼分析家就會(huì)對(duì)其進(jìn)行分析，評(píng)估其安全性。一旦該密碼算法被破譯就需要尋找更安全的密碼算法，密碼學(xué)就是在這種不斷的創(chuàng)立和破解中發(fā)展的?！　【土孔用艽a學(xué)而言，大家通常認(rèn)為：量子密碼系統(tǒng)的安全性由量子力學(xué)基本原理保證，無論竊聽者有多大的計(jì)算能力也不能成功攻破它。具體地，根據(jù)量子力學(xué)原理，竊聽者要想從未知量子信號(hào)中提取有用信息，將不可避免地干擾量子信號(hào)的狀態(tài)，進(jìn)而會(huì)在檢測(cè)竊聽過程中被合法通信者發(fā)現(xiàn)。因此，目前人們普遍熱衷于提出新的量子密碼協(xié)議，而對(duì)于協(xié)議分析卻研究很少。的確，對(duì)于一個(gè)設(shè)計(jì)完美的量子密碼方案，任何有效的竊聽都將被合法通信者發(fā)現(xiàn)，因此可以說在理論上量子密碼具有無條件安全性。然而，人們并不是總能提出這種近乎完美的協(xié)議。由于不同的攻擊手段對(duì)量子態(tài)引起的擾動(dòng)各不相同，而檢測(cè)竊聽的方法又多種多樣，所以并不是所有的檢測(cè)方法都能夠檢測(cè)到任何可能的擾動(dòng)。因此，即使經(jīng)過精心設(shè)計(jì)的量子密碼協(xié)議也有可能被某些設(shè)計(jì)時(shí)沒有考慮到的特殊攻擊方法所攻破。

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