基于连续变量的量子签名协议的研究

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随着信息化的高速发展,信息安全在全社会各领域起着举足轻重的作用,不仅关系国家的政治安全、经济安全、军事安全,还关系每个人的自身利益。经典密码学一直以来在信息安全方面扮演着重要角色。传统的数字签名运用基于大数分解和求解离散对数的困难性,可以解决网络中伪造、抵赖、否认、篡改等问题,有效保证了网络信息的安全。然而,随着计算机计算能力的不断提升,尤其是量子计算机的研究,基于计算复杂度的经典密码算法的安全性面临着巨大挑战。量子密码学由量子论和信息论结合而产生。量子签名协议(Quantum Signature,QS)作为量子密码学的一个重要分支,其研究意义重大。经过近20年的研究,基于离散变量(Discrete Variable,DV)的量子签名协议取得了很多成果。但是,离散变量量子签名协议也有着单光子、纠缠态制备困难,还有光子检测困难和通信速率低的局限性。基于连续变量(Continuous Variable,CV)的量子签名协议因具有量子态制备简单、检测简单、实验室易实现的特点成为研究热点。为了提高量子签名协议(Quantum Signature,QS)的安全性和效率,本文研究了基于连续变量的量子签名协议,内容如下:(1)设计了基于连续变量量子密集编码和量子隐形传态的仲裁量子签名协议。该方案共有三个阶段:初始化阶段、签名阶段、验证阶段,由签名者、接收者、仲裁者三个参与者共同完成。签名者根据密集编码技术,使用平移算符作用于连续变量纠缠态的其中一个相干态上生成消息的签名;在验证阶段,接收者在仲裁者的帮助下通过计算保真度H来验证。安全性分析表明,该协议具有不可抵赖和不可伪造的特点,特别是可以有效防止不诚实接收者通过一种存在性攻击来伪造签名。性能分析显示在有损信道中,仲裁者可以通过计算保真度参数H来验证签名是否有效和检测是否存在攻击者;并且在有损信道中信道容量C随着传输效率η的增加而增加,当传输效率大于0.681时信道容量将大于2,与现有的其他仲裁量子签名协议相比具有更高的通信速率。(2)设计了基于连续变量图态的多方量子盲签名协议,实现了多个签名者在不知道消息内容的情况下对同一消息共同签名。该方案共有三个阶段:初始化阶段、签名阶段、验证阶段。协议的初始化阶段由发送者使用平移算符对消息盲化,签名阶段由多个签名者分别使用傅里叶反变换完成签名,验证阶段由接收者和管理者分别验证消息的完整性和签名的有效性。安全性分析表明,该协议完成的签名具有不可伪造和不可否认的特点,签名者对消息的盲性也得到了满足。连续变量多方盲签名的优势在于,相对于离散变量多方量子盲签名,它被成功伪造的概率更低。此外,基于连续变量的多方量子盲签名协议更容易用现有的设备实现。
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