量子导引与量子密码研究

作     者：曹文飞 

作者单位：中国科学技术大学 

学位级别：博士

导师姓名：陈凯

授予年度：2018年

学科分类：11[军事学] 1105[军事学-军队指挥学] 07[理学] 0839[工学-网络空间安全] 08[工学] 070201[理学-理论物理] 110505[军事学-密码学] 110503[军事学-军事通信学] 0702[理学-物理学] 

主      题：量子信息理论 量子关联 量子导引 不确定性关系 量子密码 量子密钥分发 安全性漏洞 测量设备无关 量子网络 

摘      要：量子纠缠和贝尔非定域性是量子物理不同于经典物理的独特现象,也是量子信息理论研究的核心。量子导引,作为量子纠缠和贝尔非定域性的一个重要补充,架起了这两个概念之间的桥梁。对量子导引的判据及其与其他物理概念之间的联系成为了近年来的研究热点。作为量子信息理论的应用,量子密钥分发（QKD）基于量子力学的基本原理保证了密钥分发过程的无条件安全性。然而因为现实设备的不完美,实际的QKD系统面临着不同类型的攻击。近年来提出的测量设备无关量子密钥分发协议（MDI-QKD）因其具有免疫探测器端攻击的优点吸引了理论上和实验上的巨大关注。本论文主要基于作者在读博期间对量子导引方面和量子密码方面的学习和研究成果,阐述了我们提出的一些量子导引判据和量子密钥分发协议。在量子导引判据方面,提出了推广的量子导引线性判据并给出了寻找最大违背的最优化方法。同时提出了基于局域不确定关系的量子导引判据,探讨了不确定关系对不同量子关联的限制。相比原有的线性判据,推广的量子导引线性判据有着更大的适用范围,相应的最优化方法减少了现有判据的计算复杂度,有助于量子导引的实验检验。相比之前的很多量子导引判据,基于局域不确定性关系的判据在很多情况下有更大的探测范围。此外,我们也引入了理论计算上比较方便的量子导引重排判据,并探讨了其与纠缠的重排判据的联系。在量子密钥分发方面,提出了单边测量设备无关的量子密钥分发（1SMDI-QKD）协议和开放终端的MDI-QKD网络方案。1SMDI-QKD协议不仅具有免疫所有探测端攻击的优点,同时也降低了 MDI-QKD协议对于源端的要求。对于实际应用,我们提供了以相干光作为光源的实验方案,提供了解析的诱骗态分析方法,并根据常用的实验参数对实验进行了理论模拟。根据开放终端的MDI-QKD网络方案,网络中的任何两个或多个用户可以在其他用户的辅助下建立安全通信。此外该方案不依赖于可信中继并且具有免疫测量设备攻击的优点。与传统的QKD网络相比,该工作有望极大地提高未来QKD网络的安全性与拓展性。