具有可用性的量子公钥加密系统关键问题研究

Quantum public key cryptosystem is one of the directions of development of public key cryptosystem in the era of quantum. So it has an important theoretical research value and broad application prospects. Since the method and technology of classical public key cryptography cannot be used directly because of quantum physical properties, the progress of QPKC is slow. There are few achievements and the system lacks theoretical framework so far. This topic focuses on the theoretical framework of quantum public key encryption system with availability. Firstly, the security model and efficiency evaluation factors of quantum public key encryption are studied. And then, we try to design quantum public key encryption schemes by taking advantage of features such as the uncertainty principle. Avoiding the quantum state authentication scheme design, which is too difficult, we discuss the quantum public key management scheme using the ideas of compromise between security and efficiency. We want to form a complete quantum public key encryption system framework after the research. First of all, a hierarchical security model covering all known attacks and an efficiency evaluation system accurately reflecting the energy consumption are put forward. Then, quantum public key encryption schemes, which are efficient and proven to be secure under the above security model, are presented. At the same time, quantum state public key management schemes in which the trusted center has lighter overload are given. This research topic is expected to lay a theoretical foundation for the practical quantum public key encryption system.

量子公钥加密是量子计算机时代公钥密码的发展方向之一，具有重要的理论研究价值和广阔的应用前景。因量子的物理特性而无法直接使用经典公钥密码的方法和技术，致使该方向研究进展缓慢，至今成果很少且缺乏系统的理论框架。本课题拟从量子公钥加密系统的理论框架入手，围绕密码系统的实际可用性，展开量子公钥加密的安全模型与效率评价指标研究；并尝试利用测不准原理等特性构造量子公钥加密方案。此外，绕开构造量子态认证方案的困难性，借鉴安全与效率折中思想，研究可用的量子公钥管理方案。通过本课题的研究，拟形成较为完整的量子公钥加密系统框架：提出涵盖目前已知攻击的、层次化的安全模型，以及能够准确反映方案能耗的效率评价体系；并提出在上述安全模型下证明安全的、高效率的量子公钥加密方案；同时提出可信中心负载较轻的量子态公钥管理方案。本课题的研究成果将有望为量子公钥加密体制走向实用奠定理论基础。

首先，对量子公钥加密体制进行细致调研和安全性及效率分析。对已知的面向经典比特加密方案和安全模型的论证发现，设计者主要将关注点放在“无条件安全”，有少部分考虑了已知明文攻击，都没有考虑选择密文的安全特性。为此，我们尝试了设计抵抗选择密文攻击的多比特量子公钥加密方案（相关成果已经投稿）。遗憾的是未能提出新的单向函数，在面向比特的量子公钥加密方案构造方面未能有新的突破。也是下一步继续探索的内容。.其次，在公钥管理模型方面：迄今为止，除了一次数字签名外，量子签名（无仲裁）依然是一个公开的难题。所以本课题先讨论了一些尚未被分析的仲裁量子签名协议的安全性，给出了签名者的抵赖和接收者的伪造攻击，并提出了一些可能的改进方法（相关成果已有一审意见，正在修改中）。但是改进的方法普遍带来巨大的开销，下一步我们将继续考虑如何设计更好的公钥认证方案。.再次，在对面向比特的公钥方案的安全分析当中发现，有文章提出类似一次一密的公钥方案，从公钥离线管理的角度是不可行的。但是量子的物理特性使得未知状态信息的量子比特不能克隆，这就意味着每个量子（公钥）比特都必须由用户本人产生并发送给其它用户，因此，可以假设每个量子比特状态不同是合理的假设。换句话说，这种场景下的公钥体系架构成为--仲裁量子签名（认证）机构+一次一密的公钥加密方案，从这个角度出发，公钥加密方案的设计将更加高效，但是公钥管理将面临巨大的挑战！.最后，本课题还进行了抗量子密码的加密签名方案设计、密码应用及基础理论的相关研究。