基于環(huán)式結(jié)構(gòu)的多方量子密鑰協(xié)商協(xié)議制造技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種基于環(huán)式結(jié)構(gòu)的多方量子密鑰協(xié)商(MQKA)協(xié)議，每個參與者制備單光子序列發(fā)送給各自的下一個參與者；該參與者通過幺正操作編碼生成新序列發(fā)送給其下一個參與者；直至每一個參與者都收到自己最初制備的單光子序列；每個參與者P

Multiparty quantum key negotiation protocol based on ring structure

The invention discloses a negotiation multiparty quantum key ring structure based on (MQKA) protocol, each participant prepared single photon sequence sent to their next participant; the participants through the unitary operation encoding to generate a new sequence sent to the next participant; until each participant received single photon sequence their initial preparation; each participant P

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
基于環(huán)式結(jié)構(gòu)的多方量子密鑰協(xié)商協(xié)議
本專利技術(shù)涉及一種基于環(huán)式結(jié)構(gòu)的多方量子密鑰協(xié)商協(xié)議。
技術(shù)介紹
通過不安全信道在通信方之間建立隨機密鑰的密碼基本協(xié)議通常有兩類，一類是密鑰分發(fā)(KeyDistribution,KD)，一類是密鑰協(xié)商(KeyAgreement,KA)。在KD中，通常是由一個協(xié)議參與者生成一組隨機密鑰，然后通過相應(yīng)的方法將它發(fā)送給其它參與者。而在KA中，協(xié)議的參與者需要基于相互之間的信息交互公平地建立一組隨機密鑰，即每一個參與者都應(yīng)該為最終建立的密鑰貢獻自己的一部分影響。換句話說，KA協(xié)議中建立的最終密鑰不能夠被協(xié)議參與者的任何一個非平凡子集所決定。因此，KA不但需要保證密鑰的安全性，還需要保證密鑰的公平性。1976年，Diffie和Hellman首次提出了一個安全且公平的兩方KA協(xié)議。自從Diffie和Hellman的開創(chuàng)性工作提出以后，人們開始關(guān)注如何將兩方的密鑰協(xié)商協(xié)議拓展為多方密鑰協(xié)商協(xié)議，并且提出了一些相關(guān)的協(xié)議。然而，目前正被廣泛應(yīng)用的經(jīng)典密碼協(xié)議的安全性基本都是基于計算復(fù)雜性假設(shè)的。隨著量子算法的提出以及量子計算機的研制，基于計算復(fù)雜性假設(shè)的經(jīng)典密碼系統(tǒng)的安全性受到了嚴峻挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對相關(guān)的挑戰(zhàn)，人們已經(jīng)提出了量子密鑰分配(QuantumKeyDistribution,QKD)，QKD的安全性由量子力學(xué)基本原理(量子不可克隆定理和測不準(zhǔn)原則等)所保證，與攻擊者的計算能力無關(guān)。而在某些注重公平性的復(fù)雜密碼系統(tǒng)中，必須使用具有公平性的密鑰。因此，設(shè)計兼具公平性的QKD協(xié)議，即量子密鑰協(xié)商(QuantumKeyAgreement，QKA)協(xié)議，既能發(fā)揮量子技術(shù)帶來的高安全性，又能與各種復(fù)雜經(jīng)典密碼協(xié)議相融合。可見，QKA是量子密碼與經(jīng)典密碼融合之路上必須解決的一個研究課題。到目前為止，人們對QKD已經(jīng)研究地比較充分，相關(guān)的理論、實驗以及應(yīng)用都取得了明顯的進展。而對于如何利用量子信息理論來保證KA的安全性(即設(shè)計出既滿足安全性又能保證公平性的QKA協(xié)議)，相關(guān)研究仍處于起步階段。2004年，Zhou將量子信息理論用于KA協(xié)議的設(shè)計并基于最大糾纏態(tài)提出了首個QKA協(xié)議。幾乎與此同時，Hsueh等人也基于最大糾纏態(tài)提出了一個QKA協(xié)議。不幸的是，相關(guān)研究者發(fā)現(xiàn)這兩個協(xié)議并不是真正意義上的QKA協(xié)議，因為他們不能同時保證公平性或者安全性。2010年，Chong等人基于BB84協(xié)議的思想提出了一個基于單光子態(tài)的QKA協(xié)議。2014年，Huang等人提出了兩個可以抵抗集體消相干噪聲的QKA協(xié)議。然而，這些協(xié)議都只包含兩個參與者，只能在兩個通信者之間建立安全且公平的隨機密鑰。也就是說，它們都是兩方QKA協(xié)議。為了將QKA的應(yīng)用范圍從兩方拓展到多方，人們開始研究MQKA協(xié)議。在MQKA協(xié)議中，兩個或多個參與者通過合作來協(xié)商一組安全且公平的隨機密鑰。在一個MQKA協(xié)議中，只有協(xié)議的參與者能夠知道通過協(xié)商得到的最終密鑰。同時，協(xié)議參與者的任何非平凡子集都不能控制最終密鑰。2012年，Shi等人基于Einstein-Podolsky-Rosen(EPR)糾纏對和糾纏交換提出了一個MQKA協(xié)議。然而，Liu等人指出該協(xié)議不能保證密鑰的公平性并利用單光子態(tài)提出了一個基于分布式結(jié)構(gòu)的MQKA。通常情況下，基于環(huán)式結(jié)構(gòu)的MQKA協(xié)議會比基于分布式結(jié)構(gòu)的MQKA協(xié)議具有更高的量子比特效率(量子比特效率是建立的經(jīng)典比特數(shù)與消耗的量子比特數(shù)的比值)。2013年，Sun等人利用單光子態(tài)提出了一個基于環(huán)式結(jié)構(gòu)的高效MQKA協(xié)議，但該協(xié)議同樣被證明是不公平的。2014年，Xu等人利用Greenberger-Horne-Zeilinger(GHZ)糾纏態(tài)提出了一個基于分布式結(jié)構(gòu)的MQKA協(xié)議。隨后，人們又相繼利用不同的量子信息載體和量子信息技術(shù)提出了多個基于環(huán)式結(jié)構(gòu)的MQKA協(xié)議。然而，現(xiàn)有的基于環(huán)式結(jié)構(gòu)的MQKA協(xié)議普遍具有以下問題：一方面，絕大多數(shù)現(xiàn)有的環(huán)式MQKA協(xié)議都不能抵抗來自參與者的合謀攻擊，即存在公平性問題；另一方面，個別能夠保證公平性的MQKA協(xié)議在量子信息載體序列每一次傳輸后都需要進行竊聽檢測，導(dǎo)致協(xié)議的量子比特效率大大降低，失去了環(huán)式結(jié)構(gòu)MQKA協(xié)議具有高量子比特效率的優(yōu)勢。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)提供了一種基于環(huán)式結(jié)構(gòu)的多方量子密鑰協(xié)商協(xié)議，旨在保證環(huán)式MQKA協(xié)議的安全性和公平性的同時大大提高協(xié)議的量子比特效率，本專利技術(shù)在精心設(shè)計協(xié)議流程的基礎(chǔ)上，對參與者用于編碼和加密的量子幺正操作進行巧妙的設(shè)計和選擇，利用單光子態(tài)提出了一個能夠同時保證密鑰安全性和公平性的基于環(huán)式結(jié)構(gòu)的高效MQKA協(xié)議。協(xié)議的安全性由量子力學(xué)基本原理和量子幺正操作區(qū)分相關(guān)定理所保證。本專利技術(shù)解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種基于環(huán)式結(jié)構(gòu)的多方量子密鑰協(xié)商協(xié)議，參與者協(xié)商密鑰的步驟如下：步驟一、每個參與者制備單光子序列發(fā)送給各自的下一個參與者；步驟二、每當(dāng)接收到前一個參與者發(fā)送給自己的單光子序列后，該參與者利用幺正操作編碼生成新序列發(fā)送給其下一個參與者；步驟三、重復(fù)步驟二的操作，直至每一個參與者都收到自己最初在步驟一中制備的單光子序列；至此，每一個參與者都公開自己的n-1串控制比特序列；步驟四、每個參與者Pi(i＝1,2,...,n)通過執(zhí)行幺正操作來抵消其它n-1個參與者作用在序列Si(i+1)...(i-1)中每個光子上的控制操作；隨后利用相應(yīng)的測量基對執(zhí)行了抵消操作的光子進行測量，然后從測量結(jié)果中提取出比特串；參與者利用該比特串中的部分比特值進行竊聽檢測，若不存在竊聽，則利用剩余的比特值推斷出最終密鑰并利用從全局哈希函數(shù)簇中隨機選取的哈希函數(shù)驗證各參與者手中的最終密鑰是否相等。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)的積極效果是：針對現(xiàn)有的環(huán)式MQKA協(xié)議普遍不能抵抗來自協(xié)議參與者合謀攻擊或量子比特效率較低的現(xiàn)狀，本專利技術(shù)公開了一種基于單光子態(tài)和量子幺正編碼操作的高效環(huán)式MQKA協(xié)議。該MQKA協(xié)議能夠在多個參與者之間建立安全且公平的隨機密鑰。一方面，除了本協(xié)議涉及的參與者之外，任何其它人都不能得到最終建立的密鑰。另一方面，協(xié)議中所有參與者的任何一個非平凡子集都不能控制最終生成的密鑰。與已有相關(guān)環(huán)式MQKA協(xié)議相比，由于沒有利用量子糾纏態(tài)且不需要執(zhí)行光子換序等操作，本協(xié)議的技術(shù)實現(xiàn)難度較現(xiàn)有絕大部分相關(guān)協(xié)議低。更重要的是，在保證安全性和公平性的同時，由于整個協(xié)議過程中只需要進行一次竊聽檢測，本協(xié)議較量子信息載體序列每一次傳輸后都需要進行竊聽檢測的相關(guān)協(xié)議具有更高的量子比特效率。具體實施方式本專利技術(shù)提出一種基于環(huán)式結(jié)構(gòu)高效MQKA協(xié)議，該協(xié)議利用單光子態(tài)作為量子信息載體，采用量子幺正操作來編碼相關(guān)秘密信息。安全性分析顯示，該協(xié)議不存在現(xiàn)有環(huán)式MQKA協(xié)議普遍存在的公平性缺陷。和絕大多數(shù)已有量子密碼協(xié)議一樣，該協(xié)議中所使用的經(jīng)典信道被假設(shè)為經(jīng)過認證的經(jīng)典信道。假設(shè)n個參與者P1,P2,...,Pn想要通過該協(xié)議協(xié)商一組安全且公平的密鑰，其中參與者Pi(1≤i≤n)生成一串m比特長的隨機密鑰序列Ki以及n-1串等長的控制序列Ci(i+1),Ci(i+2),...,Ci(i-1)，這里Ci(j+n)＝Cij，且它們都是隨機比特序列。參與者協(xié)商密鑰的本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
一種基于環(huán)式結(jié)構(gòu)的多方量子密鑰協(xié)商協(xié)議，其特征在于：參與者協(xié)商密鑰的步驟如下：步驟一、每個參與者制備單光子序列發(fā)送給各自的下一個參與者；步驟二、每當(dāng)接收到前一個參與者發(fā)送給自己的單光子序列后，該參與者利用幺正操作編碼生成新序列發(fā)送給其下一個參與者；步驟三、重復(fù)步驟二的操作，直至每一個參與者都收到自己最初在步驟一中制備的單光子序列；至此，每一個參與者都公開自己的n?1串控制比特序列；步驟四、每個參與者P

【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于環(huán)式結(jié)構(gòu)的多方量子密鑰協(xié)商協(xié)議，其特征在于：參與者協(xié)商密鑰的步驟如下：步驟一、每個參與者制備單光子序列發(fā)送給各自的下一個參與者；步驟二、每當(dāng)接收到前一個參與者發(fā)送給自己的單光子序列后，該參與者利用幺正操作編碼生成新序列發(fā)送給其下一個參與者；步驟三、重復(fù)步驟二的操作，直至每一個參與者都收到自己最初在步驟一中制備的單光子序列；至此，每一個參與者都公開自己的n-1串控制比特序列；步驟四、每個參與者Pi(i＝1,2,...,n)通過執(zhí)行幺正操作來抵消其它n-1個參與者作用在序列Si(i+1)...(i-1)中每個光子上的控制操作；隨后利用相應(yīng)的測量基對執(zhí)行了抵消操作的單光子態(tài)進行測量，然后從測量結(jié)果中提取出比特串；參與者利用該比特串中的部分比特值進行竊聽檢測，若不存在竊聽，則利用剩余的比特值推斷出最終密鑰并利用從全局哈希函數(shù)簇中隨機選取的哈希函數(shù)驗證各參與者手中的最終密鑰是否相等。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于環(huán)式結(jié)構(gòu)的多方量子密鑰協(xié)商協(xié)議，其特征在于：每個參與者制備單光子序列的方法如下：(1)參與者Pi制備一串由m個單光子態(tài)組成的有序序列Si，其中Si中的每一個光子都隨機地處于{|0>,|1>,|+>,|->}四個狀態(tài)之一，其中(2)Pi將制備好的單光子序列Si發(fā)送給下一個參與者。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于環(huán)式結(jié)構(gòu)的多方量子密鑰協(xié)商協(xié)議，其特征在于：步驟二中編碼生成新序列的方法為：(1)Pi+1將自己的子密鑰序列Ki+1和控制序列C(i+1)i編碼到Si上：設(shè)Si的第j個光子為如果Ki+1和C(i+1)i的第j個光子是00/10/01/11，則Pi+1在上執(zhí)行幺正操作其中p是一個小于n的素數(shù)，且操作F和作用到單光子態(tài)|0>、|1>、|+>和|->上的效果如下：F|0>＝|1>,F|1>＝-|0>,F|+>＝-|->,F|->＝|+>,當(dāng)Pi+1對Si中的所有光子都執(zhí)行了相應(yīng)的幺正操作以后，得...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：黃偉，徐兵杰，段霽桐，何遠杭，樊礬，楊杰，劉金璐，
申請(專利權(quán))人：中國電子科技集團公司第三十研究所，
類型：發(fā)明
國別省市：四川,51