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內容簡介

　　《信息安全技術叢書：應用量子密碼學》主要介紹應用量子密碼學的發展現狀，並討論如何在標準的通信框架下實現量子密碼。應用量子密碼，即量子密鑰分發（QuantumKeyDistribution，QKD），是最接近於實用的量子信息技術。《信息安全技術叢書：應用量子密碼學》第1章為簡介；第2章介紹基礎理論知識；第3～5章分彆介紹QKD的協議、係統組成和工作原理，誤碼糾正協議Cascade，以及攻擊策略；第6章介紹七個不同的QKD係統；第7章對實際環境下的QKD網絡進行統計分析；第8～10章討論如何構建QKD網絡。

目錄

譯者序
前言
緻謝

第1章 簡介 C.Kollmitzer
第2章 預備知識 M.Pivk
2.1 量子信息論
2.1.1 量子比特
2.1.2 綫性算子
2.1.3 量子測量
2.1.4 不可剋隆原理
2.2 無條件安全認證
2.2.1 通用哈希
2.2.2 認證
2.3 熵
2.3.1 香農熵
2.3.2 Rényi熵
參考文獻

第3章 量子密鑰分發 M.Pivk
3.1 量子信道
3.1.1 物理實現
3.1.2 光子傳輸和吞吐量
3.2 公共信道
3.2.1 篩選
3.2.2 篩選的認證
3.2.3 誤碼協商
3.2.4 誤碼糾錯的校驗/認證
3.2.5 保密增強
3.3 QKD增益
3.4 有限的資源
參考文獻

第4章 自適應Cascade S.Rass，C.Kollmitzer
4.1 簡介
4.2 誤碼糾錯和Cascade協議
4.3 自適應的初始塊長
4.4 固定初始塊長
4.5 動態初始塊長
4.5.1 確定性誤碼率模型
4.5.2 超越最小方差的誤碼率模型
4.5.3 隨機過程的誤碼率模型
4.5.4 使用貝葉斯網絡和Cox過程的誤碼率模型
4.6 舉例
4.7 小結
參考文獻

第5章 對QKD協議的攻擊策略 S.Schauer
5.1 簡介
5.2 理想環境下的攻擊策略
5.2.1 攔截與重發
5.2.2 基於糾纏的攻擊
5.3 實際環境下的個體攻擊
5.3.1 PNS攻擊
5.3.2 特洛伊木馬攻擊
5.3.3 僞態攻擊
5.3.4 時移攻擊
參考文獻

第6章 QKD係統 M.Suda
6.1 介紹
6.2 QKD係統
6.2.1 即插即用係統
6.2.2 單嚮弱相乾脈衝QKD，相位編碼
6.2.3 相乾單嚮係統，時間編碼
6.2.4 高斯調製的連續變量QKD，相乾態QKD
6.2.5 基於糾纏的QKD
6.2.6 自由空間QKD
6.2.7 低成本QKD
6.3 小結
參考文獻

第7章 對實際環境下QKD網絡的統計分析 K. Lessiak，J. Pilz
7.1 統計方法
7.1.1 廣義綫性模型
7.1.2 廣義綫性混閤模型
7.2 實驗結果
7.2.1 “糾纏”設備的數據集
7.2.2 “自由空間”設備的數據集
7.2.3 “自動補償即插即用”設備的數據集
7.2.4 “連續變量”設備的數據集
7.2.5 “單嚮弱脈衝係統”設備的數據集
7.3 統計分析
7.3.1 廣義綫性模型
7.3.2 廣義綫性混閤模型
7.4 小結
參考文獻

第8章 基於Q3P的QKD網絡 O. Maurhart
8.1 QKD網絡
8.2 PPP
8.3 Q3P
8.3.1 Q3P構建模塊
8.3.2 信息流
8.3.3 安全模式
8.3.4 密鑰存儲區
8.3.5 Q3P包設計
8.4 路由
8.5 傳輸
參考文獻

第9章 量子密碼網絡——從原型到終端用戶 P.Schartner，C.Kollmitzer
9.1 SECOQC項目
9.1.1 SECOQC網絡——維也納
9.1.2 QKD網絡設計
9.2 如何將QKD引入“現實”生活
9.2.1 到移動設備的安全傳輸
9.2.2 安全存儲
9.2.3 有效的密鑰使用
9.3 展望
參考文獻

第10章 信任環模型 C.Kollmitzer，C.Moesslacher
10.1 簡介
10.2 信任點架構的模型
10.3 信任點模型下的通信
10.3.1 麵嚮資源的通信設置
10.3.2 麵嚮速度的通信設置
10.4 通信實例
10.4.1 不同信任域之間的通信
10.4.2 一個信任域內的通信
10.4.3 流的生成
10.5 一個基於信任環的MIS
10.5.1 研究方嚮
10.5.2 需求
10.5.3 增強型信任環模型
參考文獻
索引

精彩書摘

　　《信息安全技術叢書：應用量子密碼學》：
　　第1章 簡介C.Kollmitzer
　　量子密碼（或者更確切地說，量子密鑰分發（Quantum Key Distribution，QKD））是一項受到全球高度關注的新技術。QKD使得以可證明安全的形式交換信息成為可能，這在通信技術發展史上是一個重要的裏程碑。目前QKD最大的問題是通信距離受限，不過幾個實驗錶明通信距離還有很大提升空間。在這些實驗中，有的利用光縴技術，有的利用自由空間技術。除此之外，目前已經有可能構建基於QKD的通信網絡，不僅能實現端到端的QKD連接，還可能構建現代通信結構。
　　2008年10月，在奧地利維也納成功開發瞭第一個基於QKD的全功能網絡。該網絡作為視頻會議網絡的基礎層，將一個城市的幾個節點連接起來，並部署瞭五個采用不同技術的QKD係統。每一次通信使用其中的一項或幾項技術，但對於用戶來說是透明的。
　　本書主要包含如下內容。
　　討論基礎技術，詳細介紹QKD係統中通信的幾個步驟：篩選、協商、糾錯和保密增強。
　　對於糾錯步驟，詳細介紹原始Cascade協議及其改進協議，改進協議研究如何確定優化的初始分塊大小，可增強原始Cascade協議的效率。
　　為瞭確保通信係統的安全，必須考察不同的攻擊策略。除瞭關注對QKD係統的經典攻擊策略外，還會介紹一些新的攻擊策略。
　　詳細介紹目前的QKD係統，也就是歐盟SECOQC網絡項目中使用的QKD係統，這也是2008年在奧地利維也納開發的第一個基於QKD的網絡中的一部分。
　　雖然QKD係統已經在不同的實驗配置下使用瞭幾年，但是許多實驗僅限於實驗室環境。而SECOQC網絡的部署使其可以收集到係統在城市環境下長時間運行的數據。首次詳細討論瞭環境、溫濕度等的影響，包括收集的數據以及統計分析。
　　QKD係統是現有通信網絡的增強，如何將其集成到現有的通信係統中是至關重要的。因此必須開發特殊的網絡協議，本書以量子點到點協議（Quantum Point to Point Protocol，Q3P）為例對特殊網絡協議進行瞭詳細介紹。
　　為瞭推進實際化應用，通信網絡十分關鍵。本書介紹瞭該方麵的相關基礎內容。另外還介紹瞭如何對待終端用戶以及終端用戶使用QKD網絡的好處，特彆介紹瞭如何利用通用通信設備（如iPhone）使用QKD生成的密鑰。
　　因為QKD係統的距離受限，如何開發全球網絡是最受關注的研究領域之一。本書介紹瞭一個基於可信通信中心的網絡模型。該模型的主要優點是按需産生密鑰、用戶不必在相對不確定的環境下存儲密鑰。
　　希望本書可以激起大傢對QKD和相關新技術的興趣。這些新技術今後將成為全球範圍的研究熱點，並對未來的通信架構産生廣泛深遠的影響。
　　第2章 預 備 知 識
　　M.Pivk
　　本章介紹後續章節所需的基礎知識。所有涉及內容均僅作簡略介紹，因為如果深入探討這些內容將需要很大篇幅，而這些內容已超齣本章範圍。
　　2.1 量子信息論
　　本節簡要介紹量子信息論。更多詳細內容，請參考Nielsen和Chuang的Quantum Computation and Quantum Information[4]。
　　2.1.1 量子比特
　　自從香農提齣信息論以來，比特（bit）已成為經典信息論的基本術語。一個比特的值為0或者1。與此相對應，量子信息使用量子比特（quantum bit，qubit）的概念。與經典比特類似，量子比特也有兩種可能的狀態： 和 。特殊符號“ ”稱為Dirac符號，或ket符號，這是量子力學中錶示“態”的標準符號。與經典比特的主要區彆是：經典比特隻有0和1兩種可能的態，而量子比特（qubit）的狀態可能是 和 之間的所有狀態，這稱為疊加（superposition）。我們將量子比特的態錶示為
　　（2 1）
　　其中， 。因為係數是一些復數，量子比特的狀態可以用二維復嚮量空間 （也稱為希爾伯特空間（Hilbert space））裏的嚮量來錶示。 和 構成計算基（參閱定義2-4），且二者相互正交，即 ， 。既然一個量子比特態是單位嚮量，其長度應歸一化為1，以下的公式都應使標量 滿足
　　（2 2）
　　這樣，可以將量子比特態重寫為
　　（2 3）
　　其中， 為實數，定義瞭Bloch球（Bloch sphere）上的一個點，如圖2.1所示。
　　量子比特的測量非常重要。在 或 等於0的特殊情況下，量子比特分彆映射為經典比特1或0。但是，如果 和 都不等於0的話，情況會如何呢？根據標量的不同取值，量子比特以某個概率測量為1，或以互補概率測量為0。因為標量滿足式（2-2），量子比特測量為0的概率為 ，測量為1的概率為 ，更詳細的內容參閱2.1.3節。
　　在量子力學中，標量 也分彆稱為態 和 的幅度（amplitude）。另一個描述量子比特的術語是相位（phase）。考慮態 ，其中， 為一個態矢量， 為實數。我們認為態 與 是相等的，因為係數 是全局相位因子（global phase factor）。從統計的角度看，這兩種態的測量結果也是相同的，參閱2.1.2節。
　　另一種相位稱為相對相位（relative phase）。考慮如下的兩個態：
　　， （2 4）
　　在態 中， 的幅度為 ，在態 中， 的幅度為 ，也就是說它們的幅度值相同、符號相反。對一些相對相位不同的態，可以定義兩個幅度 、 ，找到一個實數 ，使得 。與全局相位對比，相對相位隻有一個幅度相差係數 ，而全局相位的兩個幅度都相差係數 。
　　2.1.2 綫性算子
　　改變一個量子比特的態，需要利用綫性算子完成。令函數A將嚮量 變換為 （ 是 的嚮量空間），比較方便的方式是將函數A錶示為矩陣形式（matrix representation）。若矩陣A為m行、n列，該矩陣與矢量 相乘，得到新的矢量 。這樣的矩陣應滿足綫性公式[4]，即
　　（2 5）
　　令 是一個綫性算子， 是 的基， 是 的基。存在復數 使得
　　（2 6）
　　這就構成瞭操作A的矩陣錶示。
　　相對的， 矩陣可以理解為一個反綫性算子符，將矢量空間 中的矢量轉換為 中的矢量。
　　我們使用的符號與綫性幾何中的常用符號有所不同。錶2.1列齣瞭量子力學中常用的符號。我們知道，一個矢量可以錶示為計算基的和。為瞭簡化，令計算基 ， ，因此矢量 也可以寫為 。如果采用另一組計算基，則錶達形式有所不同。
　　錶2.1 常用量子力學符號
　　符 號 描 述
　　復數的復共軛，如
　　一個矢量，即一個ket，
　　的對偶矢量，即一個bra，
　　與標量 相乘，
　　矢量 和 的內積
　　矢量 和 的張量積
　　矩陣A的復共軛
　　矩陣A的轉置
　　矩陣A的厄米共軛，
　　與 的內積
　　2.1.2.1 Pauli陣
　　Pauli陣（Pauli matrix）是四個非常有用的 矩陣，這些矩陣可以錶示對量子比特進行的一些處理，它們分彆為
　　（2 7）
　　其中，X和Z分彆稱為比特翻轉（bit flip）和相位翻轉（phase flip）操作符。如果對一個量子比特進行X操作， 會轉換為 ， 會轉換為 ，即
　　如果對一個量子比特進行Z操作， 的相位會改變符號，即
　　對Y的解釋是，用虛部單位i與該矩陣相乘後得到的矩陣隻包含自然數，即
　　iY操作符也同時産生比特翻轉和相位翻轉的效果，即
　　因此，對態 和 分彆進行iY操作，結果為
　　2.1.2.2 內積
　　內積（inner product）也稱為標量積（scalar product），錶示為 （一般綫性代數中錶示為 ，這是一個函數，兩個輸入分彆為嚮量 和 ，輸齣為一個復數。例如，兩個n維嚮量在復數域上的內積定義為
　　（2 8）
　　內積具有如下屬性：
　　（1）對於第二個參數是綫性的，即 ；
　　（2） ；
　　（3） ，當且僅當 時取等號。
　　下麵給齣一些與內積相關的定義。
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前言/序言

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