20180908 2018-2019-2 《密码与安全新技术专题》第3周作业
课程：《密码与安全新技术专题》
班级： 1892
姓名： 杨晨曦
学号：20189208
上课教师：谢四江
上课日期：2019年3月12日
必修/选修： 选修
1.本次讲座的学习总结
辟谣
- 超光速通信不存在
- 激光通信比墨子号快得多
- 墨子号用来发送密钥-发送纠缠光子
密码体制对比
- 对称密码体制：密钥分配问题、密钥管理问题、无签名
- 公钥密码体制：速度低
量子密钥特点：
- 检测窃听
- 理论上无条件安全
传统密码的安全性挑战：量子计算
- Shor算法 大数分解算法
- Grover算法：快速搜索法
量子：具有特殊性质的微观粒子或光子。
量子态：
- 向量描述
- 可叠加性：并行性、不可复制、测不准
量子比特的测量：力学量、测量基。（仪器不同观测的结果不同）
BB84量子密钥分配协议（单光子）
“截获-重发”攻击
量子mm基本模型：
信息传输：两种信道
-量子信道：光纤、自由空间
-经典信道：（测量基）- 窃听检测
- 纠错
- 保密增强：解决噪声问题、错误率阀值、
提高实际系统抗攻击能力：诱骗态、设备无关态
2.学习中遇到的问题及解决
- 问题1：什么是纠缠态？
- 问题1解决方案：多粒子体系或多自由度体系的一种不能表示为直积形式的叠加态。
- 问题2：什么是叠加态？
- 问题2解决方案：一个量子系统的几个量子态归一化线性组合后得到的状态。
- 问题3：什么是力学量？
- 问题3解决方案：量子力学中的可观察量。在量子力学中，描述体系的任何力学量如能量、角动量等都是可测量或可观测的，它们都可以用一个线性厄米算符来表示。
3.本次讲座的学习感悟、思考等）
量子密码是用来分发密钥的技术，还不能大规模使用，更不能替代传统密码，但是量子密码的安全性是非常重要的。
4.XX最新研究现状
关于量子密码的五篇论文
基于量子密码的签名方案
量子通信现状与展望
量子通信理论研究
量子密码安全性研究
一、基于量子密码的签名方案
1.摘要
本文首次研究了量子签名问题，并提出了一个基于对称密码体制的量子签名方案.所提出的量子签名方案利用量子力学中的Gtreenberger HornrZeili her( GHZ )三重态的相干特性实现对量子比特串的签名和验证.
2.简介
量子密码成果主要包括以下几个方面:（1）量子密码信息理论基础;（2）量子密钥管理;（3）量子秘密共享;（4）量子比特承诺及其应用;（5）量子认证;（6）量子多方计算;（7）量子密码检测理论等。
数字签名包括两类:真实签名(True signature)和仲裁签名(Arbitrated signature).其中在真实签名中, 实现过程不依赖于仲裁, 只在有争议的时候才需要仲裁, 而在仲裁签名中, 其
实现过程依赖于仲裁.本文利用量子力学中的 GHZ 三重态实现量子仲裁签名, 这是一个基于对称密钥体制的量子签名方案, 该算法需要一个可信赖的系统管理员Trent。
3.算法
3.1 初始化 ：(1)Alice 和 Bob 各自获得秘密钥 Ka, Kb, 这里 Ka, Kb分别是Alice 和 rent及Bob和Trent之间的密钥，由BB84协议获取。（2）Alice向Trent提出申请。(3)Trent分发GHZ粒子
3.2 签名过程 ：Alice制备与消息M对应的量子比特串。（2）Alice加密量子比特.（3）Alice测量粒子对.（3）Alice 获得签名Sa.（4）Bob 解密 ytb.（5）Bob验证签名。
二、量子通信现状与展望
1.摘要
综述量子通信基本原理、方法、技术手段与应用. 介绍量子保密通信基本协议和诱骗态方法, 以及基于纠缠分发的量子通信, 含基于纠缠光子对的量子保密通信、量子态隐性传输、纠缠光子对操控等. 介绍量子通信的技术与应用现状并对未来发展方向做展望
2.简介
现有的量子密钥分发技术可以实现百公里量级的量子密钥分发, 辅以光开关等技术, 还可以实现量子密钥分发网络. 量子态隐形传输是基于量子纠缠态的分发与量子联合测量, 实现量子态 (量子信息) 的空间转移而又不移动量子态的物理载体, 这如同将密封信件内容从一个信封内转移到另一个信封内而又不移动任何信息载体自身. 这在经典通信中是无法想象的事. 基于量子态隐形传输技术和量子存储技术的量子中继器可以实现任意远距离的量子密钥分发及网络.
量子通信的实现基于量子态传输。
基于BB84协议的量子密钥分发无需共享纠缠对资源，只需要单光子态传输（真是系统只有近似单光子光源），采用诱骗态方法提高安全性。
基于量子力学原理, 单量子态信号不能被完全克隆放大, 而通道损耗随距离呈指数增长。
3.量子通信基本原理
(1)BB84协议：物理学观测就会留下痕迹，构成密钥安全性的物理基础。
(2)光子数分离攻击：单光子的不可分割性是量子密码安全性的重要物理基础. 然而, 多光子脉冲不再拥有不可分割性.
(3)侧信道攻击和木马攻击：利用量子保密通信系统器件的性能缺陷进行窃听, 或者针对器件的弱点进行主动攻击
4.量子通信的基本方法
(1)实用化点对点量子通信:随机改变相干态脉冲强度而测出单光子计数率,以此为输入参数提炼出最终码. 其安全性与用理想单光子源所获最终码等价.
(2)量子网络通信:辅以光开关技术后, 诱骗态方法还可用以实现量子通信网络. 由于没有量子存储器, 这种网络的
量子密钥分发距离不能超越点对点的量子密钥分发距离. 然而, 网络上的任何两个用户可以通过光开切换实现量子密钥分发.
量子网络通信演示性网络
- 3 节点量子电话网:
- 5 节点量子电话网
(3)量子纠缠与量子通信.应用a)直接基于纠缠分发可以实现共享量子密钥,.b)基于量子中继的远程量子通信的基础
- 量子纠缠分发
- 量子态隐形传输
- 量子纠缠纯化
(4)量子中继与远程量子通信及远程量子网络通信:基于经典相干态光源的诱骗态方法很难直接完成全球化量子通信任务.
(5)自由空间量子通信:解决光子数信道损耗问题.
5.展望
理想单光子源或纠缠源技术的发展将会大大提高量子密码系统的效率与实用性能. 有了量子纠缠
方法, 提炼、转换和存储为技术基础的量子中继技术将会最终实现任意远距离的安全量子通信及通信
网络.
三、量子通信理论研究
1.摘要
量子安全直接通信是将机密信息直接加载到量子态上直接传输，这与量子密钥分配不同，因而对它的安全性要求比量子密钥分配高。
2.思路
量子密钥分配：第一种方案是一种
新的技术，即控制顺序重排加密技术。它利用一组正交的Bell基态的传输来完成量子密钥分配，它具有传输率高和节省经典交换信息的优点。第二种方案是基于弱激光脉冲的双向量子密钥分配方案，这一方案可以允许每个弱脉冲中最多可以有两个单光子，缓解了对单光子源的压力，同时它还具有不需要双方公
布测量基的优点。第三种方案是基于纠缠光子对序列的多用户网络结构下任意点对任意点的量子密钥分配方案。
量子安全直接通信:
分步传输、量子一次一密、重复使用经典一次一密量子安全直接通信方案。分步传输方案引进了数据块传输的思想，它具有绝对安全和编码容量高的优点。量子一次一密方案使用极化单光子作为信号源，在量子信号的制备与测量上带来了方便，在实验上更容易实现。重复使用经典一次一密方案更进一步去掉了量子态的储存，使得经典一次一密密码能够重复使用，实现保密通讯，这不仅是密码学理论上的一个新观点，而且可以直接在实际应用中使用。我们提出将经典密码映射成量子态的思想，即将经典密码换成量子密钥，利用非克隆定理来保证量子密钥的安全性。
量子机密共享:
基于纠缠粒子对的量子机密共享方
案、一个以极化单光子为信号源的量子机密共享方案和一个环形拓扑结构的量子机密共享方案。在信源编码方面，我们提出了两种提高测量基加密量子密钥分配编码容量的方法，即非对称量子信源编码和对称量子信源编码方法，从而提高了量子密钥分配信源编码的容量。
四、量子密码安全性研究
介绍了量子密码协议安全性证明的三种模型, 并据此针对光源、有源光学调制器件、无源光学 调制器件和探测器的非理想特性, 分别度量了实际量子密钥分配系统和理想量子密钥分配协议之间的差异, 并针对各种实际器件的非理想性, 分析了实际量子密钥分配系统安全性存在的问题以及可能存在的攻击方 案. 在综合介绍国内外量子密钥分配安全性相关工作进展的同时, 着重对当前的主流设备无关及半设备无关 量子密码方案进行了分析阐述.
四、量子密码安全性研究
1.简介
2.介绍
论文主要研究了量子密码体制中的密钥分发、身份认证、秘密共享和加密体制四类问题,取得了若干研究成果。具体地
在密钥分发和纠缠交换方面,基于两个态之间的纠缠交换,提出一个两级系统密钥分发协议和一个级系统密钥分发协议,并分
析了它们各自的安全性利用二次剩余理论,证明了级系统与两级系统中态之间的纠缠交换存在本质区别。该结论进一步说明了高维量子密码协议具有更高安全性,对设计量子密码协议具有一定的指导意义。
在身份认证方面,针对最初的身份认证协议大都只适用于特定的密钥分发过程这一问题,提出一种通用的在分发密钥的同时进行身份认证的思想提出一个基于非正交纠缠态的身份认证协议对协议作了改进使其可以同时进行身份认证。利用该通用思想,几乎所有的量子密钥分发协议都可以同时完成身份认证,并且在认证过程中实现了窃听检测,提高了密钥分发的效率和安全性。在秘密共享方面,针对最初出现的共享联合密钥的量子秘密共享协议效率不高这一问题,提出一个理论效率达到了的此类协议,该协议可以同时实现经典消息的分割并可以推广到多方秘密共享的情形受量子安全直接通信的启发,提出一个基于态的量子直接秘密共享协议,利用一个公开的比特串,让和直接共享其秘密消息,而不需要事先与他们建立联合密钥此外,我们还
利用两粒子最大纠缠态提出一个比较容易实现的量子直接秘密共享协议。
在加密体制方面,提出一个高维系统中的量子对称加密算法,证明了该加密算法具有信息论安全性,通信者可以检测并纠正传输过程中发生的任意错误,加解密所用的量子密钥可以回收再用。考虑到高维系统在量子硬件实现上的优越性,本文提出的加密算法很有意义。