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第一部分 基础知识3

第1章 引子——从经典密码到量子密码3

1.1 什么是密码学3

1.2 经典密码学发展简介7

1.2.1 古典密码8

1.2.2 现代密码18

1.3 密码系统的安全性22

1.4 量子密码系统简介26

1.4.1 BB84协议27

1.4.2 量子信息加密30

参考文献31

第2章 量子密码学基础33

2.1 数学基础33

2.1.1 线性代数基础33

2.1.2 几种重要的概率分布41

2.2 量子力学基础46

2.2.1 量子力学基本公设46

2.2.2 量子测量51

2.2.3 密度矩阵53

2.2.4 常见力学量：位置、动量与角动量55

2.2.5 Schmidt正交分解与纯化58

2.2.6 EPR悖论与Bell不等式59

2.3 量子光学基础65

2.3.1 自由电磁场的量子化65

2.3.2 相空间表象与Wigner函数70

2.4 经典信息论基础72

2.4.1 Shannon熵及其应用72

2.4.2 互信息及其应用74

2.5 量子信息论基础76

2.5.1 von Neumann熵77

2.5.2 von Neumann熵的一些特性78

2.5.3 Holevo界81

参考文献84

第3章 量子密钥分发基础知识87

3.1 QKD常见协议简介87

3.1.1 离散变量类协议87

3.1.2 连续变量类协议107

3.2 QK D协议安全性分析理论基础117

3.2.1 无条件安全性的“条件”118

3.2.2 这些假设可以被满足吗120

3.2.3 制备测量协议与基于纠缠协议的等价性121

3.2.4 窃听方法分类122

3.3 QKD系统组成部分简介124

3.3.1 量子随机数发生器125

3.3.2 量子光源129

3.3.3 量子探测135

3.3.4 其他物理组成部分138

3.3.5 后处理143

参考文献149

第二部分 量子密钥分发协议及系统安全性157

第4章 量子随机数157

4.1 真随机数基础知识157

4.1.1 随机数的定义157

4.1.2 随机数产生方案的特征和发展159

4.1.3 真随机数发生器的设计161

4.2 量子随机数发生器方案介绍188

4.2.1 离散型量子随机数发生器189

4.2.2 连续型量子随机数发生器200

4.2.3 一些较新进展219

4.3 设备无关量子随机数产生222

4.3.1 随机性提取223

4.3.2 随机性扩展协议225

4.3.3 随机性放大协议227

参考文献229

第5章 离散变量协议234

5.1 BB84协议的理论安全性分析234

5.1.1 基于纠缠提纯协议的安全性证明方法235

5.1.2 基于信息论的安全性证明方法259

5.1.3 系统安全码率仿真建模263

5.2 BB84协议的实际安全性分析Ⅰ：多光子问题268

5.2.1 GLLP安全性分析理论268

5.2.2 诱骗态协议安全性分析274

5.3 BB84协议的实际安全性分析Ⅱ：非可信光源问题283

5.3.1 可信光源与非可信光源283

5.3.2 “untagged bits”概率光源监控286

5.3.3 光子数区分（PNR）光源监控297

5.4 通用组合安全性303

5.4.1 通用组合安全性定义303

5.4.2 保密增强307

5.4.3 安全码率公式309

参考文献313

第6章 连续变量协议318

6.1 连续变量协议基础318

6.1.1 正则分量318

6.1.2 高斯态与高斯操作319

6.1.3 高斯态分解与熵计算322

6.1.4 纠缠等效模型（EB模型）324

6.1.5 针对信道的三种窃听方式326

6.2 连续变量协议的理论安全性分析327

6.2.1 联合窃听下协议的理论安全性分析327

6.2.2 相干窃听下协议的理论安全性分析331

6.2.3 协议安全码率的仿真建模334

6.3 连续变量协议的实际安全性分析342

6.3.1 光源的非理想性342

6.3.2 探测器的非理想性348

6.3.3 有限码长统计波动357

6.4 通用组合安全性364

6.4.1 通用组合安全性证明的基本定义364

6.4.2 联合窃听下协议的通用组合安全性365

6.4.3 探测器有限采样区间和采样精度的安全性问题377

参考文献380

第7章 量子黑客攻击与设备无关协议385

7.1 QKD系统中的安全漏洞和量子黑客攻击385

7.1.1 相位重映射攻击386

7.1.2 时移攻击387

7.1.3 伪态攻击388

7.1.4 探测致盲攻击391

7.1.5 侧信道信息泄露405

7.1.6 CV-QKD系统中的侧信道和量子黑客攻击409

7.2 设备无关类协议412

7.2.1 设备无关协议412

7.2.2 单边设备无关协议和半设备无关协议419

7.2.3 测量设备无关协议422

7.2.4 连续变量测量设备无关协议433

参考文献445

第三部分 量子密钥分发相关研究453

第8章 量子密钥分发实验进展453

8.1 离散变量QKD系统453

8.1.1 光纤QKD系统454

8.1.2 空间QKD系统474

8.2 连续变量QKD系统484

8.3 波分复用与QKD网络493

8.3.1 QKD系统中的波分复用技术493

8.3.2 实际搭建的QKD通信网络499

参考文献507

第9章 其他相关研究进展517

9.1 量子认证517

9.1.1 量子身份认证517

9.1.2 量子消息认证518

9.1.3 量子签名520

9.2 量子公钥529

9.3 量子信息加密532

9.3.1 利用经典安全密钥实现量子信息加密532

9.3.2 利用量子隐形传态实现量子信息加密534

9.4 量子中继538

9.4.1 纠缠交换540

9.4.2 量子存储542

9.4.3 DLCZ方案545

9.4.4 其他方案549

参考文献550

关键词索引554

人名索引560

跋563