联合噪声条件下量子密码协议安全性分析理论研究

Given that most of quantum cryptography protocols are designed under the ideal conditions and without considering the impact of noise in the actual communication, those may result that the confidential information cannot be transmit to the receiver accurately or eavesdroppers can steal the confidential information by mixing in noise. Therefore, analyzing the security of quantum cryptography protocols under noise conditions are of great significance. The project intends to analyze the security of quantum cryptography protocols in collective noise. For how to distinguish the noise with the eavesdropping in quantum channel quantitatively, the collective noise model will be established in quantum channel by using the particle deflection model. For how to analyze the security of quantum channel in noise quantitatively, the relationship of the amount of information that eavesdroppers can steal, the quantum bits error rate and the noise level will be analyzed by using the Von Neumann entropy. For how to prove the famous quantum cryptographic protocols are secure or not in the collective noise, the project will analyze the security of these protocols in collective noise quantitatively and calculate the noise critical point by using the collective noise model and the relationship of the amount of information that eavesdroppers can steal, the quantum bits error rate and the noise level. The research results of this project will enrich the theory of quantum cryptography, the innovation of security detection methods in quantum cryptographic protocols will help promote the process of practical quantum cryptography.

多数在理想条件下设计的量子密码协议没有考虑实际通信中噪声的影响，可能造成机密信息不能被准确传输，或可能存在窃听隐藏在噪声中的风险，因此分析噪声条件下量子密码协议的安全性具有重要的意义。本项目拟分析已有量子密码协议在联合噪声条件下的安全性，针对如何定量地区分量子信道中噪声和窃听的问题，采用粒子偏转模型，对量子信道中的联合噪声进行建模；针对如何定量地分析噪声条件下量子信道的安全性问题，采用冯o诺依曼熵理论建立窃听者能窃取的信息量与量子比特误码率、噪声水平三者之间的函数关系；针对如何证明量子密码协议在联合噪声条件下是否安全的问题，根据联合噪声模型及窃听者能窃取的信息量与量子比特误码率、噪声水平三者之间的关系，定量地分析协议在联合噪声条件下的安全性并计算噪声临界点。本项目研究成果将丰富量子密码学理论，创新噪声条件下的量子密码协议安全性检测方法，有利于推进量子密码协议的实用化进程。

许多在理想条件下设计的量子密码协议没有考虑实际通信中噪声的影响，可能造成机密信息不能被准确传输，或可能存在窃听隐藏在噪声中的风险，因此分析噪声条件下量子密码协议的安全性具有重要的意义。项目的主要研究内容包括：.（1）对量子通信信道中的联合噪声进行建模。. 为了求得环境噪声的上限，将量子态在联合噪声的作用下会变成什么样的状态，即建立量子态的联合噪音模型，在联合噪音模型的基础上，可定量地分析特定量子通信协议在联合噪音条件下的安全性。.（2）确定窃听者所能得到的信息量与量子比特误码率、噪声水平三者的函数关系。..量子比特误码率可能是噪声和窃听其中任意一个导致的，也可能是两者共同作用导致的。所以不能像没有噪声的量子通信一样使用简单的量子比特误码率作为判断是否存在窃听的标准。这里需要采用Von Neumann熵的方法定量分析窃听者所能得到的信息量与量子比特误码率、噪声水平三者的函数关系。.（3）研究某种量子通信协议在联合噪声条件下的安全性。..首先，根据实际量子通信误码率水平一定（即误码率大小在3.4%-6%的条件下）的情况下，得出噪声水平与窃听者所能得到的信息量之间的函数关系，定量的分析误码率达到50%（已经非常大）的时候，窃听者是否能够得到所有的信息量。如果窃听者得到的信息量小于1，就可以认为该协议是安全的，否则说明不安全；其次，计算出量子通信协议不安全情况下的噪声大小的临界点，即窃听者可以自由得到全部信息量而不被发现时的噪声大小。.在项目研究成果方面：累计发表论文SCI检索论文19篇，其中包括发表在《IEEE Access》、《Quantum Information Processing》、《中国科学》、《Scientific Reports》、《Entropy》、《Physics Letters A》等国内外知名SCI期刊上。项目对目前主要的量子通信协议（如BB84、“Ping-Pong”、B92、E91、SAGR04、BBM92、测量设备无关等协议）在联合噪音条件下进行了安全性分析。项目申请一项目国家专利。项目培养了4名硕士研究生和6名博士研究生。项目组多次去中国科学技术大学进行了学术交流。