20189215 2018-2019-2 《密碼與安全新技術專題》第3周做業

時間 2019-11-29

標籤密碼與安全新技術專題 3周欄目系統安全简体版

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課程：《密碼與安全新技術專題》
班級： 1892班
姓名：李煬
學號：20189215
上課教師：謝四江
上課日期：2019年3月12日
必修/選修：選修算法

1.本次講座的學習總結

講座主題：量子密碼基礎知識與研究進展

「薛定諤的貓」是薛定諤提出的一個想象實驗，根據量子力學的思想，獲得與傳統物理學相違背的結論，貓不多是既生又死的狀態（對應量子的衰變和不衰變能夠疊加）。
量子通訊已經實現產業化的方式是，量子當光子使用，只用來分發密鑰，實際通訊仍使用以前的方法。
超光速通訊目前是不存在的。
完全的解決辦法：
①加密：OTP（One-Time Pad）一次一密密碼本
②密鑰分配：量子密鑰分配（QKD）
量子密鑰分配（QKD）的特色：
①能夠檢測到潛在的竊聽行爲。
②基於物理學原理，理論上可達到無條件安全。
量子密鑰的不可竊聽性+一次一密的不可破譯性=無條件安全的保密通訊。
量子的概念
①微觀世界的某些物理量不能連續變化而只能取某些分立值，相鄰分立值的差稱爲該物理量的一個量子。
②直觀理解：具備特殊性質的微觀粒子或光子。
量子態：量子比特（Qubit） |0> （水平方向） |1> （豎直方向）
量子比特還能夠處在不一樣狀態的疊加態上。
|0>,|1>相互正交， |+>,|->相互正交
量子態的可疊加性帶來一系列特殊性質
①量子計算的並行性：強大的計算能力

②不可克隆定理：未知量子態不可克隆

③測不許原理：未知量子態不可準確測量

④對未知量子態的測量可能會改變量子態
跟測量儀器有關，測量時量子會發生坍塌，根據選擇的測量儀器（或者說選擇的測量基）不一樣變爲不一樣的狀態。
兩種測量基：Z基和X基
BB84量子密鑰分配協議
量子密碼的四個基本步驟
①信息傳輸：一般同時用到量子信道和經典信道。量子信道傳輸量子載體（量子信道容許竊聽者對傳輸的量子消息進行任意竊聽和篡改），經典信道傳輸經典消息。
②竊聽檢測：通常隨機選擇部份量子載體，比較初末狀態；對比較的協議來講，竊聽必然干擾量子態，進而引入錯誤，一旦發現存在竊聽（錯誤率太高），則終止通訊，丟棄相關數據。由於傳輸的是密鑰（即隨機數），而不是祕密消息，所以能夠丟棄它們而不會所以泄露祕密。
③糾錯：糾正密鑰中的錯誤，因爲接收方隨機選擇測量基，會出現雙方不匹配的狀況。
④保密加強：經過壓縮密鑰長度，將Eve（竊聽者）可能得到的部分密鑰信息壓縮至任意小，獲得安全的密鑰。
糾錯和保密加強解決噪聲問題：設定一個閾值，當錯誤率高於這個閾值時丟棄通訊數據，反之保留（即容許有必定的錯誤）。
提升性能的相關技術
①提升效率：可重用基、糾纏加強、雙光子、雙探測器。
②提升抗干擾能力：無消相干子空間、量子糾錯碼。
③提升實際系統抗攻擊能力：誘騙態、設備無關。

2.學習中遇到的問題及解決

問題1：量子密鑰分發協議BB84
問題1解決方案：搜索引擎搜索，找到相關資料。BB84 協議是量子密碼學中第一個密鑰分發協議，由Bennett和Brassard在1984年提出，也是使用和實驗最多的量子密鑰分發方案之一。BB84協議經過光子的4種偏振態來進行編碼：線偏振態和圓偏振態，如圖所示。其中，線偏振光子和圓偏振光子的兩個狀態各自正交，可是線偏振光子和圓偏振光子之間的狀態互不正交。
問題2：量子密鑰分發還有其餘協議嗎？
問題2解決方案：搜索引擎搜索，找到B92協議和E91協議。
①B92協議：貝內特在1992發表的論文中描述的量子密碼分發協議，被稱做B92協議。B92協議中只使用兩種量子態。Alice發送狀態|↑>和|↗>。Bob接受狀態後選擇基"+"或"×"測量。Bob測量獲得的結果若是是|→>，能夠確定Alice發送的狀態是|↗>，獲得結果|↖>能夠確定接受到的狀態是|↑>。但若是Bob的測量結果是|↑>或|↗>，則不能確定接收到的狀態是什麼。以後Bob告訴Alice他對哪些狀態獲得了肯定的結果，哪些狀態他不能確定，而不告訴Alice他選擇了什麼樣的基測量。然後用那些獲得了肯定結果的基來編碼，把"+"編爲"0"，把"×"編爲"1"，並把這串比特做爲密鑰。這個協議有個弱點，只有無損耗的信道才能保證這個協議的安全性。不然，Eve能夠把那些沒法獲得肯定結果的狀態截獲而後從新制備能夠獲得肯定結果的狀態再發出去。
②E91協議：Artur Ekert的方案使用糾纏的光子對。這些光子對能夠由Alice、Bob或與他們二者都不在一塊兒的某些源（包括竊聽者Eve）產生。這些光子會被分發，Alice和Bob最終都會獲得每對光子中的其中一個。該方案依賴於糾纏的兩個性質。首先，糾纏態是徹底相關的，若是Alice和Bob都測量他們的粒子是否具備垂直或水平極化，他們老是以100%的機率獲得相同的答案。若是他們都測量其它任何互補（正交）極化對，結果一樣如此。這就須要相距很遠的兩者具備精確的方向性同步。可是，特定的結果是徹底隨機的；Alice沒法預測她（以及Bob）是否會得到垂直極化或水平極化。其次，Eve任何試圖竊聽的行爲都會打破這些相關性，因而Alice和Bob就能夠檢測出來。

3.本次講座的學習感悟、思考等

本次的講座向咱們介紹了最近熱度很高的量子密碼，我國發射的墨子號是第一顆量子衛星，證實我國在量子密碼的某些方面取得了國際領先的成就，可是還不夠全面，仍需發展。此次講座讓我懂得了量子密碼的概念和含義，以及使用方式、特色和具備這些特色的緣由，開拓了個人眼界，受益不淺。安全

期刊名稱： IEEE Photonics Journal
做者信息：
蔡彬彬
福建師範大學數學與計算機科學學院，福州
貢德國
福建師範大學數學與計算機科學學院，福州
宋琳
福建師範大學數學與計算機科學學院，福州
左會娟
河北師範大學數學與信息科學學院，石家莊
俞超華
北京郵電大學網絡與交換技術國家重點實驗室，北京，中國框架

研究進展：
該論文中構造了兩類多粒子糾纏態，分別抵抗集體退相噪聲和集體旋轉噪聲。在此基礎上，提出了兩種新的基於集體噪聲的多部份量子密鑰協議。在每一個協議中，只有一個用戶須要準備多粒子量子糾纏態。而後，用戶保留第一個量子位，並將狀態的每兩個量子位分配給其餘用戶。在這種狀況下，全部用戶均可以執行安全測試，並從手中的量子位測量結果中得到共享密鑰。從安全性分析能夠很明顯地看出，所提出的協議對內部攻擊和一些常見的外部攻擊是安全的。性能

論文2：Towards Quantum Communications with Satellites學習

會議名稱： 2018年IEEE光子學會夏季專題會議系列（SUM）
做者信息：
Thomas Jennewein
Department of Physic and Astronomy & Institute for Quantum, Computing University of Waterloo, Waterloo, Canada測試

研究進展：
隨着基於衛星的量子通訊的發展，量子光信號的遠距離傳輸，以及全球量子網絡互聯愈來愈有可能成功。這篇論文概述了實施加拿大量子衛星計劃、量子加密和科學衛星（Qeyssat）的活動，總結了有效載荷部件的實驗室測試及其在地面站和飛機之間創建量子鏈路的演示。實驗結果證明了量子通訊接收器衛星具備可行性。搜索引擎

論文3：Security Level and Information Flow in a Quantum Key Distribution Network編碼

會議名稱： 2018年IEEE光子學會夏季專題會議系列（SUM）
做者信息：
馬雄峯
清華大學跨學科信息科學研究所量子信息中心，北京，中國
周泓伊
清華大學跨學科信息科學研究所量子信息中心，北京，中國
Kefan Lv
清華大學跨學科信息科學研究所量子信息中心，北京，中國加密

研究進展：
本論文提出了一種量子密鑰分發網絡的框架，包括一種具備足夠最高安全級別密鑰的通訊方案和一種具備有限密鑰的最大信息流的密鑰管理方案。同時，論文簡要報告了最新的量子網絡現場測試結果。

論文4：Analysis of Quantum Key Distribution Based Satellite Communication

會議名稱： 2018年第9屆計算，通訊與網絡技術國際會議（ICCCNT）
做者信息：
Vishal Sharma
IIT, Jodhpur, Rajasthan, India
Subhashish Banerjee
IIT, Jodhpur, Rajasthan, India

研究進展：
量子密鑰分配是一種有效的加密技術，能夠用於衛星與地面站之間的安全量子通訊。量子密碼技術加強了各類網絡的安全性，如光纖和無線網絡。可是因爲大氣效應和噪音，這些網絡在高衰減狀況下變得脆弱，在這種狀況下，因爲消相干就會產生偏差。該論文中做者採用無冗餘的量子糾錯方案對噪聲量子信道進行了建模和實現，仿真結果代表該方案具備較好的安全性和吞吐率。

論文5：[Quantum Cryptanalysis: Shor, Grover, and Beyond](https://ieeexplore.ieee.org/document/8490203