量子密码学是一种利用量子物理学方法实现密码思想的新型密码体制,受到人们的广泛关注。它作为信息安全领域的重要分支,比经典密码体制具有更好的优越性和更高的安全性。经典密码的安全性基于计算复杂性的假设,而量子密码学的安全性基于量子力学的基本原理。由于量子密码学可以提供无条件的安全性和对外界干扰行为的检测能力,其研究具有重要的战略意义和巨大的应用前景,而且也在理论体系和实验方面取得了重大突破。本文主要对量子密码协议中的量子密钥协商、量子安全直接通信、确定的安全量子通信等内容展开研究,探讨了量子密码协议的设计以及安全性分析,并取得了一些初步的研究成果,具体内容如下:1.首先利用极化-空模双自由度的单光子系统提出了一个三方量子密钥协商协议,协议中的三个参与方根据各自的子密钥和联合酉操作可以有效地协商出一个安全的共享密钥。然后我们将三方量子密钥协商协议扩展到多个参与方的情形。安全性分析表明,本文的两个协议能安全抵抗外部窃听者和内部参与方的攻击。协议中的所有参与方对共享密钥的贡献是平等的,所有参与方的任何非平凡子集都不能单独确定最终的共享密钥,且每个参与方的子密钥都能保持机密性。效率分析表明,本文的多方量子密钥协商协议的效率高于其他多方量子密钥协商协议。此外,协议中只使用了单光子,利用当前的实验技术可以更容易实现单光子的制备和测量。2.鉴于目前大部分量子安全直接通信协议都是基于单自由度的单光子、EPR纠缠态或多粒子纠缠态,本文利用极化-空模双自由度的单光子系统提出了一个新的三方量子安全直接通信协议。协议中的三个合法参与方选择相应的联合酉操作将自己的机密信息比特串编码在极化-空模自由度的单光子上,且不需要在经典信道上公开交互辅助的经典信息就能同步完成机密信息的直接传输。综合的安全分析表明,新协议不仅移除了窃听检测之前的信息泄露问题,还能安全抵抗外部攻击者的大多数攻击行为,且效率较其他三方量子安全直接通信协议要高。3.本文基于极化-空模双自由度的单光子系统提出了一个新的受控的量子安全直接通信协议。发送方通过联合酉操作将自己的机密信息编码在极化-空模双自由度的单光子量子态上,通过量子信道传输完这些被编码的单光子之后,只有在控制方的允许和帮助下,通信双方才能正确地恢复出彼此的机密信息,成功实现通信。安全分析表明,该方案不仅能抵抗外部攻击,还能抵抗内部攻击。外部窃听者不能获得关于机密信息的任何相关信息,且接收方如果不经过控制方的允许,不能恢复出发送方的机密信息。此外,极化-空模双自由度的单光子系统比单自由度的单光子能携带更多信息,从而提高了信道的传输容量。4.针对量子安全直接通信中可能存在的窃听检测之前的信息泄露问题,人们提出了确定性安全量子通信。本文基于极化-空模双自由度的单光子系统提出了一个高效的、可认证的双向确定性安全量子通信协议。通信双方在认证了彼此的身份信息的条件下,分别从pauli算子和Hadamard算子中选择不同的局部酉操作,然后将自己的机密信息比特串编码在极化-空模双自由度的单光子量子态上。协议交互过程中会生成一个经典的比特串,只有在通信双方公开交互了这个辅助的经典比特信息之后,接收方才能正确地读取机密信息。更重要的是,安全分析表明该协议能安全地抵抗外部窃听者的大多数攻击,且不存在信息泄露这种安全漏洞。效率分析指出,一个极化-空模双自由度的单光子可以携带两比特经典信息,因此新协议的信息传输效率更高。此外,新协议中只涉及单光子,其制备和测量比纠缠光子更简单,所以利用当前的实验技术更容易实现。