经典可证明安全性理论在量子密码协议分析中的应用研究

Because of the natural secrecy of the quantum communication, quantum cryptography is an important research field in cryptography. However, by the different realized methods, there are many essence differences in design and ananlysis between classical cryptography and quantum cryptography. Comparing with classical provable security, there is no systemic analysis method and strict mathematic proof in the securities of quantum cryptography protocols. In order to determine the practical security of quantum cryptography protocols and syncretize classical cryptography and quantum cryptography efficiently, this program will study the application of the classical provable security in the analysis and proof of the security of quantum cryptography protocols. The contents include the following aspects: 1. According to the cryptography framework, studying the secure attributions and attack models of quantum cryptography protocols; 2. Based on the information theory, studying the formal definition of the security of quantum cryptography protocols; 3. Depending on the realized principle of quantum mechanics and the ideas of the classical provable security, studying the secure model and the proof methods of the quantum cryptography protocols. 4. Based on the classical modular design theory, studying the key theory and method of the quantum modular design. By the above research, it is beneficial to enrich the analysis theory of the quantum cryptography systems, and to improve the design level of the quantum cryptography protocols.

量子的天然保密特性使量子密码成为密码学研究的一个重要领域。然而，由于实现基础不同，量子密码协议在设计和分析方面与经典密码体制有着许多本质区别。与经典可证明安全性理论相比，量子密码协议的安全性尚缺乏系统的分析过程和严格的数学证明。为了明确量子密码协议的实际安全性，促进经典密码与量子密码有机融合，本课题研究经典可证明安全性理念在量子密码协议安全性分析与证明过程中的应用问题。研究内容包括：1. 基于密码学框架，研究量子密码协议的安全需求和敌手攻击模型；2. 基于信息论原理，研究量子密码协议安全性的形式化定义；3. 基于量子实现原理和经典可证明安全性理念，研究量子密码协议的安全模型和安全性证明方法；4.基于经典模块化设计理念，研究量子密码协议模块化设计与分析的关键理论和方法；通过以上研究，丰富量子密码体制的分析理论，提高量子密码协议的设计水平。

随着信息的量子表示，量子存储、量子传输、量子信息处理等方面的发展，在经典密码基本理念的影响下，量子密码学有了长足的发展。然而，鉴于目前主要通过量子操作，和策略控制实现的量子安全手段与经典密码有着本质的区别，量子密码已经将算法和信息处理融为一体，因此量子密码体制的安全性评测是一个全新的研究课题。本项目力图进一步发现量子保密的本质，找到量子保密性的理论证明方法，从而拓展密码学的发展空间。为达到上述目标，本课题主要从以下方面进行了相关的研究工作：1. 从密码学角度，以量子信息处理为基础的安全模型规划；2. 量子密码协议可证明安全性的一些通用的证明方法;3. 探索以安全模型引导的量子密码设计与分析新方法；4.经典密码和量子密码有机融合的新方法。围绕这些研究内容，在保护隐私方面，利用经典密码思想提出了一种双向匿名的安全模型和实现方法，进一步深入认识了安全属性的本质、设计策略和理论分析规范，为进一步研究量子密码协议奠定了理论基础。在量子密码安全性评测方面，从安全性的本质出发，在量子密码抵抗被动攻击的基础上，对主动攻击进行了定义和刻画，分析了一种量子盲签名协议和隐藏签名认证方案，给出了伪造攻击的证明，揭示了现有量子密码设计与分析方法的不足；鉴于对安全本质的认识和量子力学性质掌握的基础上，在安全模型规划方面，对了量子可否认签名的安全模型给出了新的规划，并给出了一种可实现方案，证明了量子力学性质针对协议主动攻击在设计与分析方面的可行性。其次，在提升量子密码协议实现效率方面也进行了一些相关研究，为进一步的可实例化作出了有益的探索。这些研究证明了以安全模型规划为指导的密码设计与分析方法在量子密码研究中的可行性，提出了一些经典密码与量子密码相融合的基本思想，明确了量子密码的发展方向。