测量设备无关量子安全直接通信相关问题研究

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通信安全是现代社会的一项重要需求。量子通信是一种实现安全通信的新型独特方式,其安全性依赖于量子物理原理。有量子密钥分发和量子安全直接通信两种模式,其中的量子密钥分发协议能够通过密钥协商实现合法通信方之间密钥的安全共享,结合经典加密-解密信道来实现量子通信。量子安全直接通信能够在无需提前分配密钥的情况下直接在量子信道中传输保密信息,从而实现量子通信。量子安全直接通信协议提出之后,在理论协议发展的同时,实验也得到了长足的发展,量子安全直接通信两步方案和单光子DL04协议的实验验证已经在光纤系统与量子存储光学平台上实现,并且全功能的量子安全直接通信原理性样机也已经完成。实际量子通信系统中,测量设备存在一定缺陷,其带来的安全漏洞将威胁实际量子通信系统的安全性。量子安全直接通信在向实用化方向发展过程中,不可避免地会遇到实际测量设备不完美性带来的安全威胁,相关问题亟待解决。本论文针对实用化量子安全直接通信面临的实际测量设备缺陷造成的安全漏洞问题,结合量子安全直接通信的特点,提出了测量设备无关量子安全直接通信(MDI-QSDC)协议,解决了由于测量设备缺陷造成的安全漏洞。论文的主要创新成果包括:1.提出了基于纠缠态的测量设备无关两步量子安全直接通信(MDI-TS)理论协议,消除了所有和测量设备相关的漏洞与所有相关侧信道,增强了实用化量子安全直接通信系统的安全性。协议由于使用了密集编码而具有较高的通信容量。2.完成了MDI-QSDC协议的安全性分析,针对基于纠缠的MDI-TS协议和基于单光子的MDI-DL04协议,利用Csiszár-Korner理论证明了两个协议的安全性,并导出了协议的安全容量下界。MDI-QSDC协议相较于量子安全直接通信协议牺牲了部分安全容量换取实用化条件下的安全性,但其具有将量子安全直接通信通信距离扩展至两倍的能力。3.提出了测量设备无关量子对话协议,利用MDI-TS协议的对称性对其进行了推广,实现了无密钥的双向量子安全直接通信。此外,协议本身也可通过协商过程生成密钥,利用密钥可实现通信双方的同时性消息解码。测量设备无关量子对话协议赋予了实用化量子安全直接通信系统双向通信能力,增强了其组网灵活性。
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