CN107508676A - 一种联合旋转噪声条件下的测量设备无关量子密钥分发协议安全性检测方法 - Google Patents

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Abstract

一种联合旋转噪声条件下的测量设备无关量子密钥分发协议安全性检测方法。该方法引入联合旋转噪声分析模型，并使用信息理论方法分析MDI‑QKD的安全性。通过分析可知，当噪声水平ε≤0.68时，窃听者Eve的窃听行为始终会被检测出来，而且Eve能够窃取的最大信息量是50％。这意味着Eve最多只能窃听到1/2的密钥信息，但这没有任何意义。因为这将导致Eve的窃听行为被检测出来，且得到的是不完整的密钥，而不是Alice和Bob的通信信息。分析结果表明，MDI‑QKD在联合旋转噪声环境下通信是安全的。当存在窃听时，中继输出成功结果的最大概率是16％，这个概率比无窃听时要高，验证了MDI‑QKD具有更好的稳健性。

Description

一种联合旋转噪声条件下的测量设备无关量子密钥分发协议 安全性检测方法
技术领域
本发明涉及一种联合旋转噪声条件下的MDI-QKD协议安全性检测方法，当噪声水平ε≤0.68时，窃听者Eve的窃听行为始终会被检测出来，而且Eve能够从通信双方窃取的最大信息量是50％，因此MDI-QKD在联合旋转噪声环境下通信是安全的。当存在窃听时，中继输出成功结果的最大概率是16％，这个概率比无窃听时要高，验证MDI-QKD具有更好的稳健性。
背景技术
尽管量子密码协议具有很多经典密码学难以拥有的优点，但是通信领域始终存在安全问题。由于量子密码协议传输的信息量较大，导致在传输过程中存在的安全隐患更为突出。鉴于量子密码协议的高安全性要求和量子密码协议对量子通信研究工作的推动作用，量子密码协议中的有些安全隐患就是致命的，尤其是在噪声条件下，必须引起研究者的高度重视。目前研究的许多著名的量子通信协议都是建立在理想信道的情况下，而忽略了量子通信信道中噪声的存在。但是，通信系统不能孤立存在，环境噪声势必要对其产生影响。而且在现实实验环境中，噪声必然存在，复杂而且多样，对量子通信系统的影响难以预测。因此分析在噪声条件下量子密码协议的安全性是非常重要的，在此方向的突破也将促进协议实验化的进展。
发明内容
噪声是通信信道无法回避的问题。本发明结合量子密码协议的理论研究和该领域的最新研究进展，充分运用量子态的某些特殊性质，提出了一种联合旋转噪声条件下的MDI-QKD协议安全性检测方法。该方法探讨量子噪声的本质和特性，深入分析在噪声条件下MDI-QKD协议的安全性和传输效率，分析结果表明，当噪声水平ε≤0.68时，窃听者Eve的窃听行为始终会被检测出来，而且Eve能够从通信双方窃取的最大信息量是50％。当存在窃听时，中继输出成功结果的最大概率是16％，这个概率比无窃听时要高，验证MDI-QKD具有更好的稳健性。该方法可以使量子通信的研究更加符合真实的应用环境，是量子密码走向实用的必要步骤，因此具有重要的理论意义和实际的应用价值。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：研究量子态|0>,|1>,|+>,|->在联合噪声作用下状态的改变，采用粒子偏转模型，对量子信道中的联合噪声进行建模，定量区分量子信道中噪声和窃听干扰；分析并确立窃听者能窃取的最大信息量与量子比特误码率及噪声水平三者之间的函数模型，该函数模型综合考虑了噪声和窃听对量子比特误码率的影响，使窃听者无法通过噪声的掩盖来窃听信息而不被发现并通过绘制函数关系更加清晰地体现了三者之间的关系；针对实际的MDI-QKD协议，分析其是否安全，分析其在多大的噪声水平下，窃听者能窃取量子信息而不被发现并验证MDI-QKD具有更好的稳健性。
本发明的有益效果是，分析结果表明，MDI-QKD在联合旋转噪声环境下通信是安全的。当噪声水平ε≤0.68时，窃听者Eve的窃听行为始终会被检测出来，而且Eve能够从通信双方窃取的最大信息量是50％。当存在窃听时，中继输出成功结果的最大概率是16％，这个概率比无窃听时要高，验证MDI-QKD具有更好的稳健性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明所提出的联合旋转噪声条件下的MDI-QKD协议安全性检测方法的技术方案以及该方法的安全性证明过程，下面将对方法中所需要使用的附图做简单地介绍。对于本领域的研究人员来讲，通过这些附图在不付出创造性研究的前提下，能够根据方案具体步骤及证明流程获得到其他的附图。
图1是MDI-QKD通信流程图；
图2是量子比特误码率和噪声水平的关系；
图3是采用本发明后Eve能够窃取的最大信息量；
图4是采用本发明后中继输出成功结果的概率。
具体实施方式
为更方便地分析MDI-QKD的安全性，合理假设环境噪声是常数。环境噪声的影响可被写成酉矩阵
在噪声影响下，量子态|0>,|1>,|+>,|->变为
无论发送的量子态如何，最终量子比特误码率是常量sin2θ。因此，可用ε＝sin2θ来检测噪声水平。噪声越大，偏转角越大，与之对应的ε也越大，反之亦然。
噪声环境下MDI-QKD安全性分析：
1、没有窃听
没有窃听时中继的测量结果如表1所示。A代表Alice，B代表Bob，R代表中继。
表1.没有窃听时中继的测量结果
成功的中继输出对应于当Alice和Bob制备反相关偏振态的情况。每当Alice和Bob分别发送制备的相同偏振态的光子时，中继将不会输出成功的结果。因此，我们得到中继输出成功结果的概率(用Q表示)如表2所示。
2、存在窃听
Eve在量子比特受环境噪声影响之后进行测量。因此，他的测量结果如表3所示。
然后，Eve将截获的量子比特再次发送给中继，再次发送过程仍将受环境噪声影响。第二次噪声影响后，中继的测量结果如表4。
根据表3和表4，经过两次噪声和攻击影响后中继的测量结果可写成表5的形式。Ab(Bb)代表Alice(Bob)选择的测量基。Rb代表中继选择的测量基。P代表发送概率。
可以得到中继输出成功结果的概率如表6所示。
表2.没有窃听时中继输出成功结果的概率
表3.噪声影响下Eve的测量结果
表4.第二次噪声影响后中继的测量结果
表5.经过两次噪声和攻击影响后中继的测量结果
表6.存在窃听时中继输出成功结果的概率
A B Q
|0> |1> p×p+q×q＝p2+q2
|1> |0> q×q+p×p＝p2+q2
|+> |-> p×p+q×q＝p2+q2
|-> |+> q×q+p×p＝p2+q2
图1中根据量子计算和量子信息，合理的通信方式是，通信系统开始于量子态和噪声的张量积。从图1可以看出，在Eve窃听之前，环境噪声就开始作用于传输的量子比特。
通过图2可以总结得出，当噪声水平ε≤0.68，有E1＞E0。Eve会由于量子比特误码率大于设置的初始值而被检测出来。
从图3可以看出，Eve能够窃取的信息量在0.4到0.5之间。随着噪声水平ε增加，窃取信息量I呈现三角波的形式。
从图4可以看出，当信道中不存在窃听时，中继输出成功结果的概率Q0随着ε的增加而减小。当信道中存在窃听时，概率Q1呈现三角波的形式。此时最大概率是16％，高于不存在窃听时的概率。

Claims (2)

1.一种联合旋转噪声条件下的测量设备无关量子密钥分发(Measurement-Device-Independent Quantum Key Distribution，MDI-QKD)协议安全性检测方法，采用粒子偏转模型，对量子信道中的联合噪声进行建模；采用冯·诺依曼熵理论建立窃听者能窃取的信息量与量子比特误码率、噪声水平三者之间的函数关系；根据联合噪声模型及窃听者能窃取的信息量与量子比特误码率、噪声水平三者之间的关系，定量地分析MDI-QKD协议在联合噪声条件下的安全性并计算噪声临界点，其特征是：引入联合旋转噪声分析模型，并使用信息理论方法分析MDI-QKD的安全性。
2.根据权利要求1所述的联合旋转噪声条件下的MDI-QKD协议安全性检测方法，其特征是量子态|0>,|1>,|+>,|->在联合噪声作用下状态改变，采用粒子偏转模型，对量子信道中的联合噪声进行建模，定量区分量子信道中噪声和窃听干扰；综合考虑噪声和窃听对量子比特误码率的影响，使窃听者无法通过噪声的掩盖来窃听信息而不被发现，分析并确立窃听者能窃取的最大信息量与量子比特误码率及噪声水平三者之间的函数模型；针对实际的MDI-QKD协议，分析其是否安全，分析其在多大的噪声水平下，窃听者能窃取量子信息而不被发现并验证MDI-QKD具有更好的稳健性。
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