基于无消相干子空间的可容错量子签名协议研究

During the whole process of a practical quantum transmission, the polarization of photons is incident to be influenced by channel noise, so that the eavesdropper can use noise as a cover to implement attacks without being detected, thereby reducing the security of quantum signature protocols. Previous studies have found that the interference of collective noise on quantum communication process can be overcome by introducing decoherent-free states into the quantum secure communication protocols. Security analysis shows that this method can effectively improve the security and communication fidelity of protocols. Combined with the effect of collective noise on quantum signature protocols, this proposal explores the decoherent-free subspace model that can describe collective noise completely and the relevant realization technology on the basis of analysis about the fault-tolerant characteristic of decoherent-free states. We then propose the fault-tolerant quantum signature protocols and demonstrate the security of protocols through theoretical analysis and simulated experiments. The proposal aims to realize the fault-tolerant quantum signature protocols against collective noise. The research achievements will provide reference for fault-tolerant quantum signature protocols. The proposal will be of great significance to enrich and improve fault-tolerant quantum secure communication protocols and to promote and develop the practical application of quantum signature system.

在实际量子通信过程中，粒子极性很容易受到信道噪声影响，使得窃听者可以利用信道噪声作为掩护手段，实施攻击操作而不被检测到，从而降低量子签名协议的安全性。前期研究发现，通过将无消相干态引入到量子保密通信协议中，可克服量子信道中的集体噪声对通信过程产生的影响。安全性分析证明该方法可有效提高协议的安全性及通信保真度。本项目结合集体噪声对量子签名协议的影响，拟从无消相干态的可容错性出发，探索可以完备描述集体噪声的无消相干子空间模型及其实现技术，进而提出可容错量子签名协议，通过理论分析和实验仿真证明协议的安全性。本项目旨在解决量子签名协议对集体噪声的可容错问题。项目研究成果将为可容错量子签名协议提供参考，对丰富和完善可容错量子保密通信协议，推动和发展量子签名系统的实际应用具有重要意义。

项目探索可以完备描述量子集体噪声的无消相干子空间模型及其实现技术。根据集体噪声的数学模型，利用物理量子态构成具有相同噪声因子的逻辑量子态，选择具有非正交特性的逻辑测量基构建完备的无消相干子空。利用无消相干子空间中逻辑量子态对集体噪声的可补偿性，将无消相干子空间引入到量子对话和量子签名协议的设计中，抵消量子信道中的集体噪声对量子签名协议和量子对话协议的影响，使其具有噪声可容错性，同时提高协议的通信保真度。.基于连续变量量子态的优势，提出了一种基于四模连续变量GHZ态的量子对话协议。所提出的量子对话协议更适合于实际应用。此外，项目提出一种具有单模压缩态的连续变量量子对话协议。协议的安全性由随机选择的诱骗态和编码时隙来保证。经过安全性分析，证明协议能够抵御信息泄漏问题和某些常见的量子窃听攻击。.首次提出双场量子数字签名协议。针对量子数字签名协议中通信距离和密钥率受PLOB界限制的问题，提出基于双场量子密钥分发的量子签名协议，利用单光子干涉测量克服码率和通信距离之间的相互制约，使得签名率和通信距离都有所提升。仿真发现相同实验环境下基于双场的量子数字签名协议性能较BB84签名协议和MDI签名协议的性能更好。.首次提出基于动态特性的量子多方签名协议，并设计一种基于簇态的量子代理盲签名方法及系统。该算法利用四粒子团簇态和三粒子GHZ态作为信息传输载体，增强签名协议的灵活性，推进量子签名协议的实用化。.项目研发期间，本团队已经在量子保密通信领域研究取得的多项代表性研究成果，发表SCI检索论文近10篇，其中，基于离散相位随机源的双场量子签名方法是本团队在国际上首次提出。授权发明专利5项，参加国际研讨会议2次。接下来本团队在继续推进相关理论研究的同时，将重点推进连续变量量子保密通信实验研究。项目共培养研究生6名，其中3人已取得硕士学位。