安全多方量子计算基础协议的研究

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量子信息技术与安全多方计算技术分别是物理学与计算机科学中的热门研究领域。前者是信息科学与物理科学相互融合产生的新兴交叉学科,它把量子力学的基本原理应用于计算、通信和密码学等领域,形成量子计算、量子通信和量子密码学三个分支。量子信息技术在运算速度、通信效率、安全性等方面均有优于或远远优于传统信息技术的表现。后者可以说是密码学的新方向,安全多方计算是现代密码学中重要的、成果丰富的研究领域。其主要功能是可以完成下面的计算任务:在一个互不信任的多用户网络中,各用户能够在不泄漏各自私有输入信息的前提下协同合作以获得某个函数的计算结果。安全多方计算在金融、军事、政治、医疗等领域都有广泛的应用前景。量子信息技术与安全多方计算技术这两项新技术的结合产生了更新的研究热点——安全多方量子计算。相对于经典环境下的安全多方计算协议,安全多方量子计算协议由于引入了量子信息技术的优异特性,所以其在安全性、健壮性、通信效率等方面较前者都有很大的提高,特别是窃听检测方面,后者更是前者望尘莫及的。由于历史的原因,量子密码学成了量子密钥分配方案的代名词。目前国内外学者的研究兴趣也主要集中在量子密钥分配方面,而对于安全多方计算领域其他的基础协议则研究不够。特别地,由于无条件安全的比特承诺协议被广泛认为是不存在的,这点也打击了部分学者对安全多方量子计算基础协议的研究热情。有鉴于此,本文的主要研究内容包括:1)系统研究了安全多方计算基础协议的特性,以基础协议为底层构造更复杂的协议和应用。2)深入研究了量子计算和量子信息技术,特别是与构建安全多方量子计算基础协议相关的技术。3)构建安全多方量子计算的基础协议簇,并探索其应用的可能性。4)研究量子环境下关于安全协议的可靠、完备的证明方式,特别是对于协议的抗攻击性与抗窃听的分析与证明。与之对应,本文取得了一定的研究成果,主要包括:1)构建了量子计算环境下的一系列安全多方计算基础协议。特别对于密钥分配、茫然传送这些经典的安全双方计算方案给出了多个各具特色的不同协议,使得它们在不同的场景中有着针对性的应用,从而获得更好的安全性、便利性、容错性等特点。2)在量子信息技术的贡献方面,对于确定性测量的效率问题,本文给出了严格的数学推导,获得了最优测量效率的相关结论,并将之应用到相关的基础协议构建与安全策略方面去。3)针对量子比特承诺,本文构建了新的承诺模型,该模型在搏弈论、匿名通信、三方或多方计算方面有着重大的应用价值。基于该模型,本文给出经典环境和量子环境中都实用的承诺协议,其无条件安全性也得以保障。4)在量子安全协议的安全性证明方面,本文基于一些大数定律与概率论的相关定理,对相关协议的安全性给出了严格的证明。本文同时证明了,这些协议不依赖于任何计算困难性假设,即其安全性不受攻击者计算能力的限制,因此是无条件安全的。本文受到国家自然科学基金(三个,项目编号分别是60773032、60573171和60703071)、高校博士点基金(20060358014)、江苏省自然科学基金(BK2007060)、安徽省自然科学基金(070411043)以及中国科学技术大学优秀博士论文培育基金等项目的资助。
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