量子保密查询协议理论研究

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经典密码学以数学理论和香农的保密通信理论为基础,安全性多依赖某些计算复杂、难以在多项式时间内解决的数学难题。然而,随着量子计算和量子计算机的研究,经典密码学的安全性受到了严峻的挑战,而量子密码学的重要性却越来越受到社会各界的重视。量子密码学的安全性基于量子物理原理,理论上可以实现无条件的安全性,因此吸引了多方科研人员的注意。量子密码学已衍生出了量子密钥分发、量子秘密共享、量子安全直接通信、量子不经意传输、量子比特承诺、量子保密查询、量子签名、量子密钥协商等重要分支。量子保密查询(Quantum Private Query,QPQ)是对称私有信息检索(Symmetrically Private Information Retrieval,SPIR)问题的量子解决方案。QPQ旨在解决用户和数据库拥有者之间的保密查询问题,在完成查询的同时也保护协议参与双方的安全性。随着量子技术的飞速发展,QPQ在军事、商业、信息检索等方面发挥着越来越重要的作用。然而,量子资源的稀缺性、量子设备的缺陷以及各种攻击手段层出不穷,使得研究更安全、高效、实用的QPQ协议显得尤为重要。针对现有的QPQ协议的不足,本文提出了一种改进的经典后处理算法、一种半设备无关的QPQ协议以及一种基于连续变量的QPQ协议。具体内容如下:(1)针对现有的d维QPQ协议的不足,提出了一种新颖的经典后处理(Classical Post-Processing,CPP)算法,解除了维度对用户单次查询可获得的信息量大小的限制。同时本文使用了全新的编码方式,降低了对数据库拥有者Bob的量子能力的要求,从而提高了协议的效率和实用性。(2)提出了一种新颖的半设备无关的QPQ协议。该协议采用二维量子目击违反的思想来保护数据库的安全性,唯一的假设是协议中所使用的量子系统的维度是有界的。相较于已有的基于纠缠的设备无关的QPQ协议,本协议基于“制备-测量”模式,未使用纠缠态,因此更易于测试和实现。(3)提出了一种基于连续变量的QPQ协议。现有的协议多基于离散变量,但完美的单光子在实际环境中难以制备,因此协议的安全性难免受到影响。本协议以相干态为载体,对原有的基于离散变量的QPQ协议进行改进,保持其性能的同时提高了协议的效率和实用性。本文对所提出的协议进行了安全性分析,证明其对用户隐私和数据库隐私都起到了很好的保护作用。
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