半量子密码学中若干关键问题研究

This project aims to solve several key problems in the existing semi-quantum cryptography. We focus our research on the following four aspects: 1) Through the comprehensive analyzing and summarizing of the basic quantum manipulation used in the existing quantum cryptographic protocols, we summarized an appropriate set which includes all the manipulation classical participants can use. 2) Through changing the existing design approach, especially the eavesdrop checking mode, we improve the efficiency of the quantum bits in the semi-quantum cryptographic protocols. 3) For the problems that the existing semi-quantum secret sharing protocol are all designed based on entanglement, we will propose several semi-quantum secret sharing protocols based on single particle. 4) For the problems that information can only be transmitted from the classical party to the quantum party in the existing semi-quantum secure direct communication protocol, we will propose several semi-quantum secure direct communication protocols in which the information can be transmitted from the quantum party to the classical party.. Through studying and solving the above problems, we will construct a more complete theoretical framework of the semi-quantum cryptography.

本项目旨在对半量子密码学发展中存在的几个关键问题进行研究。结合半量子密码协议研究中存在的问题，我们将重点开展以下四方面的研究：1）通过全面分析总结现有量子密码协议中所采用的基本量子操控手段，归纳出适宜于只具有经典计算能力的经典方的操控手段集合，以解决现有情况下因为合理的经典方模型的缺失而引发的问题；2）通过改变已有半量子密码协议设计方式，特别是检测窃听模式，以解决半量子密码协议中普遍存在的量子比特利用率低下的问题；3）针对现有半量子秘密共享协议均是基于纠缠态设计的问题，给出基于单粒子的半量子秘密共享协议；4）针对现有半量子安全直接通信协议只能实现从经典方到量子方传输信息的问题，设计出可以实现从量子方到经典方传输信息的半量子安全直接通信协议。. 通过上述问题的研究与解决，我们将构造出更为完整的半量子密码学理论框架。

本项目主要研究了量子密码协议设计与分析中存在的一些问题，在量子密码协议设计和安全分析研究方面均取得了一些研究成果，在项目执行期间，我们共发表了权威学术论文14篇，其中包括发表于QUANTUM INF PROCESS、IEEE T PARALL DISTR、IEEE T SERV COMPUT等著名SCI检索源期刊论文8篇，比较具有代表性的成果如下：.(1)设计了两个基于受控非门的量子秘密共享协议。协议中，每个光子只需传输一次，这将使得处于较远位置的代理可以获取分发者的秘密而免受纠缠衰减的影响。协议可抵抗特洛伊木马攻击、截获重发攻击、纠缠测量攻击以及纠缠交换攻击。协议的理论效率接近100%，除去用于窃听检测的粒子，所有粒子均被用作生成最终的秘密。.(2)设计了一个基于单粒子的量子对话协议。通过此协议，两个合法的对话用户可以同时将其信息传输给对方。协议对于延迟光子特洛伊木马攻击、不可见光子窃听攻击是安全的。更为重要的是，协议可以克服大多数量子对话协议中存在的信息泄露问题。与仅有的一个基于单光子设计的无信息泄露问题的量子对话协议相比，此协议具有更高的量子比特利用率。.(3) 近期的一份研究中，Yang等人指出Zhang等人的量子安全直接通信协议存在安全隐患。协议中，管理员角色可以被去除，接收者可以在没有管理员许可的情况下直接获得发送者的信息。Yang等人给出了改进方案，然而我们的研究揭示，改进协议仍然存在管理员角色被去除的问题，而且在改进协议中，不诚实的管理员可以窃听到发送者的信息而不被检测到。最后，我们给出了改进以去除协议中存在的这两个安全隐患。.(4)在近期的一份研究中，Shukla等人基于贝尔态和贝尔态测量给出两个量子密钥协商协议，他们声称协议是安全的。然而，我们的研究揭示，他们提出的三方量子密钥协商协议并不安全，协议中的任意一个参与者可以直接得到另外两个参与者的私有信息。更为严重的是，协议中的两个参与者可以单独决定最终生成的密钥。最后，我们给出协议的有效改进。.(5) 近期的一份研究中，Yin等人基于两粒子纠缠态提出一个三方量子密钥协商协议，他们声称协议可以抵抗内部攻击且协议中的每一个参与者对于最终密钥生成的贡献是均等的。而我们的研究揭示，协议中的两个参与者可单独决定最终密钥。最后，我们给出协议的有效改进。