【摘要】：量子通信,其安全性基于量子理論而非計算復(fù)雜度,可在理論上實現(xiàn)無條件安全的通信系統(tǒng)。然而,實際器件并不能完美匹配理論模型,并且隨著系統(tǒng)復(fù)雜度的增加,這些差異會更加明顯,最終將導(dǎo)致竊聽者可利用的安全漏洞,進而降低系統(tǒng)的實際安全性。隨著量子通信技術(shù)的逐步實用化,實際系統(tǒng)的安全性也受到了廣泛關(guān)注,一些針對實際系統(tǒng)的攻擊方案和改進協(xié)議也陸續(xù)被提出和討論。量子通信中攻與防的研究,就像太極圖中的黑白陰陽雙魚,一陰一陽,共同促進實際模型和理論模型之間差異的彌合,使實際量子通信系統(tǒng)更加安全可靠。本文主要從研究實際系統(tǒng)的漏洞以及降低實際系統(tǒng)的復(fù)雜度兩方面出發(fā),對量子通信系統(tǒng)的實際安全性進行實驗研究,主要研究內(nèi)容概括為:對量子秘密共享協(xié)議在實際系統(tǒng)中的實施自由度問題進行了研究�；诃h(huán)形量子秘密共享協(xié)議,提出了單光子的多組動態(tài)方案。網(wǎng)絡(luò)中的用戶可根據(jù)一定的性質(zhì)分為不同的小組,Alice通過偏振復(fù)用實現(xiàn)對秘密共享組的選擇。此外,通過一次分發(fā),Alice還可以同時與多個小組進行獨立的共享秘密。因此,多組動態(tài)方案進一步增加了量子秘密共享的靈活性,拓展了該協(xié)議的使用場景。針對探測器設(shè)備無關(guān)的量子密鑰分發(fā)協(xié)議,本文討論了探測器波長相關(guān)攻擊在實際系統(tǒng)中的可行性,并基于著名的探測器致盲攻擊方案,提出了一種新的竊聽策略,并針對如何有效致盲全部探測器以及如何有效控制探測器響應(yīng)進行了詳細說明。為了驗證攻擊方案的可行性,我們進行了原理性的實驗驗證,發(fā)現(xiàn)利用不同探測器間響應(yīng)的差異性,可完美致盲全部探測器,并有效控制僅使其中一臺探測器發(fā)生響應(yīng)。為了降低實際量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的復(fù)雜度,本文研究了參考系無關(guān)協(xié)議,該協(xié)議能夠有效避免系統(tǒng)在參考系校準過程中的額外資源消耗。通過利用凸優(yōu)化方法估計竊聽者信息量,態(tài)制備所需的量子態(tài)從六種減少到三種(Z基的兩個本征態(tài)和X基中的一個本征態(tài)),并且簡化后的協(xié)議在相干攻擊下的安全性也得到了證明。為了驗證少量態(tài)協(xié)議的實際可行性,我們在15公里和55公里的傳輸距離下進行了實驗驗證,結(jié)果證明態(tài)數(shù)量的減少并不會嚴重影響安全密鑰率。本文進一步實驗研究了測量設(shè)備和參考系雙無關(guān)的量子密鑰分發(fā)協(xié)議在高系統(tǒng)頻率和遠傳輸距離下的可行性。系統(tǒng)重新設(shè)計了一種高效的編碼單元,僅使用相位調(diào)制器就能實現(xiàn)不同量子態(tài)的制備,并且通過將光子的時間信息與偏振信息復(fù)用,實現(xiàn)了對兩個Bell態(tài)高效識別。最終,在系統(tǒng)工作頻率為50 MHz的情況下,實現(xiàn)了百公里的安全傳輸距離。
【學位授予單位】：北京郵電大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：O413;TN918
【圖文】：

族斯巴達人被認為是密碼學的先驅(qū)。公元前４００年，他們發(fā)明了一種用于軍隊將領(lǐng)逡逑間傳遞信息的工具，被稱為“密碼棒”（Ｓｃｙｔａｌｅ）。它是由攜帶訊息的羊皮紙或皮革繞逡逑在一個木棒上制成，如圖１－１。使用時，發(fā)信者沿木棒上的皮革縱向書寫，每旋轉(zhuǎn)木逡逑棒一次寫一個文字，之后將皮革從木棒抽出，就得到了一個文字錯亂的文本。當收逡逑信者得到這個羊皮紙或皮革后，將其纏繞在同樣大小的木棒上就可以恢復(fù)原始信息。逡逑圖１－１邋斯巴達密碼棒逡逑凱撒大帝使用了更為簡單的字母替換方法來進行保密通信，被稱為“凱撒密碼”逡逑１逡逑

在２０世紀２０年代，機電技術(shù)應(yīng)用于Ａｌｂｅｒｔｉ密碼盤，使其變成了一種轉(zhuǎn)輪機，逡逑通過旋轉(zhuǎn)一些列轉(zhuǎn)子，可以產(chǎn)生長替代周期的加密序列，最為著名的便是Ｅｎｉｇｍａ加逡逑密機，由Ａｒｔｈｕｒ邋Ｓｃｈｅｒｂｉｕｓ于〗９１８年申請專利，如圖１－４。密碼分析史上最顯著的成逡逑就便是攻破了邋Ｅｎｉｇｍａ加密機。１９３２年冬天，在華沙波蘭情報局工作的２７歲密碼分逡逑析師Ｍａｒｉａｎ邋Ｒｅｊｅｗｓｋｉ從數(shù)學上確定了邋Ｅｎｉｇｍａ的第一個轉(zhuǎn)子的接線。從那時起，波蘭逡逑就能夠閱讀德軍用Ｅｎｉｇｍａ機器加密的數(shù)千條信息。］９３９年７月，波蘭人將此破譯方逡逑法傳給了法國和英國的密碼分析師。希特勒入侵波蘭和法國后，英國的密碼分析師逡逑在布萊切公園為完全破譯Ｅｎｉｇｍａ密碼而繼續(xù)奮斗著。位于這座公園中心的密碼學院逡逑后來也見證了現(xiàn)代密碼分析領(lǐng)域眾多令人振奮的成就。逡逑盡管密碼學有著很長的發(fā)展歷史，但是直到２０世紀４０年代，密碼學才真正成逡逑為數(shù)學和信息論的一部分。這要歸功于Ｃｌａｕｄｅ邋Ｓｈａｎｎｏｎ

法通信雙方共享一個與明文相同長度的隨機比特串，這個隨機比特串作為密鑰僅被逡逑通信雙方所知。將密鑰與明文異或相加便可得到密文，解密過程則是將密文與密鑰逡逑進行異或運算進而恢復(fù)得到明文，如圖１－５。逡逑明文：ｏｉｔｍｉｏｏ邋．．邐（多逡逑密鑰：１１００１０１０逡逑密文邋＿■邋ｌｏｏｉｏｉｗ逡逑？灥邐＾邐（ｍｌ逡逑信道邐密文１００１０１１０逡逑密鑰：１１００１０１０逡逑密文：０１０１１１００逡逑圖１－５邋—次一密加密過程逡逑雖然理論上可以證明ＯＴＰ的安全性，但存在一個關(guān)鍵的實際問題有待解決，這逡逑就是密鑰分發(fā)問題。通信者雙方必須提前通過一個安全信道共享一串與明文等長的逡逑隨機比特串，但在經(jīng)典物理中，這樣的安全信道是不存在的，因為竊聽者可以通過逡逑復(fù)制等手段對此信道進行竊聽，并且不會引入任何可檢測的擾動。為了解決密鑰分逡逑５逡逑

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