一种基于量子同态签名的量子投票系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于量子同态技术的量子投票系统。该系统包括n个投票人、投票管理机构CA、计票人Bob、监票人Charlie和n+3个OADM，该系统通过纠缠粒子的相干性、QKD协议、一次一密加密算法和量子信道窃听检测来达到经典电子投票所不具备的无条件安全性。同时，利用一般GHZ纠缠态在局域测量下的性质以及量子同态签名技术，在无需知道每个投票者投票信息的情况下，计票者可以对多个盲化投票信息实现聚合签名，监票人能验证聚合签名并得到聚合的投票信息，即最终的投票结果。

A Quantum Voting System Based on Quantum Homomorphic Signature

The invention discloses a quantum voting system based on quantum homomorphism technology. The system includes n voters, CA, Bob, Charlie and n+3 OADM. The system achieves unconditional security that classical electronic voting does not possess through the coherence of entangled particles, QKD protocol, one-time encryption algorithm and quantum channel eavesdropping detection. At the same time, using the properties of general GHZ entangled states under local measurement and quantum homomorphic signature technology, without knowing the voting information of each voter, the voter can realize aggregate signature for multiple blind voting information, and the supervisor can verify the aggregated signature and get the aggregated voting information, that is, the final voting result.

【技术实现步骤摘要】
一种基于量子同态签名的量子投票系统
本专利技术涉及一种量子投票系统，具体地说是一种基于量子同态签名的量子投票系统。
技术介绍
随着信息处理技术的飞速发展和Internet的普及，传统投票方式已经逐步被新的投票形式—电子投票所代替。电子投票方式不仅能带动选民投票的积极性，同时最关键的优点在于减少资源消耗，诸如；人力，财力和物力等方面,大大提高效率。第一个密码学意义上的电子投票概念由Chaum首先提出，该协议是利用公钥密码体制加密信息的。然而建立在经典签名之上的电子投票协议的安全性主要是基于计算复杂度的假设，不能被证明具有无条件安全性。随着攻击者计算能力的不断提高，这些算法或协议将逐渐变得不安全。幸运的是，量子密码学因其能弥补这一缺陷而开始被关注，因为量子密码技术的安全性是基于量子态的物理特性而不是计算复杂性，例如量子密钥分配协议BB84和B92协议被严格证明是无条件安全的。2005年，Vaccaro等人首次提出量子投票的概念，随后Hillery提出了两种投票方式：移动式投票和分配式投票,以弥补经典方案在安全性上的不足。2006年，Dolev等人提出了一种无需进行量子测量的投票方案。该方案中的选举结果可以直接由基态读取，而不需要进行复杂测量，但该协议发现不了选民的重复投票问题，一旦某些选民有重复投票等作弊行为，可能会破坏选举。2008年李渊在Hillery的基础上提出基于纠缠态的移动式匿名投票方案。方案中制备两个纠缠态粒子,通过对粒子进行操作来完成投票。2010年Xu在Vaccaro的基础上进行了效率和安全性的改进。该投票方案建立在相位移操作的基础上，投票功能比较单一，且计票方知道最后的投票结果，没有监票方予以验证。2016年Cao等提出了一种使用量子代理签名的投票方案，投票者可以将自己的投票内容转换为量子信息，扩大了投票的功能，但资源耗费大，无法在实践中广泛应用。另外，现有的量子投票方案还存在两大不足：1、大部分量子投票方案一次只针对一个投票人的情形，从而影响量子投票系统的实用性和高效性。2、在实际情况中，我们往往希望投票系统中的各个角色都能对自己的工作负责，即进行签名，而现有的大部分方案只包括投票管理机构CA的签名。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷或不足，本专利技术的目的在于提供一种基于量子同态签名的量子投票系统。本专利技术所提供的系统包括n个投票人、投票管理机构、计票人、监票人以及经典量子融合信道；所述n个投票人、投票管理机构、计票人、监票人以及经典量子融合信道用于实现以下功能：(1)投票管理机构制备多个含n+1个粒子的扩展GHZ纠缠态(以下简称GHZ纠缠态)，投票管理机构将其中的每个GHZ纠缠态中的第n+1个粒子留给自己，生成一个粒子序LCA，将每个GHZ纠缠态前n个粒子分别分发给各投票人，生成n个粒子序列对于任一序列分发前投票管理机构产生一组非正交态粒子，每个粒子随机地处于四个态|0>,|1>,|+>和|->之一，投票管理机构把这些非正交态粒子穿插进的随机位置，而后投票管理机构CA与任一投票人Alicei共同检测窃听，i＝1,…,n；如果存在窃听，则Alicei丢弃得到的粒子，投票管理机构重新分发；如不存在窃听，Alicei与监票人产生并分发共享量子密钥监票人与选票管理机构产生并分发共享密钥KC,C；(2)投票管理机构给所述n个投票人、计票人和监票人发放量子密钥串作为量子身份ID，用于投票人、计票人和监票人的身份核对；任一投票人Alicei、计票人和监票人将身份信息量子ID发送给所述投票管理机构，然后投票管理机构CA判断各方的量子ID是否合格，判断Alicei是否有资格投票，i＝1,…,n；如果不合格或没有资格投票，投票管理机构CA拒绝颁票；如果合格且有资格投票，则CA对合法的投票人Alicei进行投票登记，并随机给该投票人一个唯一的选票ID；(3)投票人Alicei将自己的投票子信息与共享密钥做直和运算以完成投票子信息的盲化操作；投票人Alicei通过幺正变换将盲化后的投票子信息编码在自己的纠缠粒子序列上，得到新粒子序列该新粒子序列为投票人Alicei的量子签名粒子，i＝1,…,n；对粒子序列Alicei产生一组非正交态粒子，每个粒子随机地处于四个态|0>,|1>,|+>和|->之一，Alicei把产生的这些非正交态粒子穿插进各自量子签名粒子的随机位置，Alicei将盲化的投票子信息以及带有非正交态粒子的量子签名粒子通过经典量子融合信道传送到所述计票人处；同时Alicei与计票人共同检测窃听；如果存在窃听，则计票人丢弃得到的粒子，从(1)开始重新执行该投票过程；不存在窃听，则计票人得到的信息有效，投票系统继续运行；(4)所述投票管理机构对粒子序LCA中每个粒子进行幺正操作，操作后的粒子序L′CA为投票管理机构对Alicei的投票过程的量子盲签名，i＝1,…,n；投票管理机构产生一组非正交态粒子，每个粒子随机地处于四个态|0>,|1>,|+>和|->之一，投票管理机构把这些非正交态粒子穿插进粒子序L′CA的随机位置，投票管理机构将带有非正交态粒子的量子盲签名通过经典量子融合信道传送到所述计票人处，同时投票管理机构与计票人共同检测窃听；如果存在窃听，则计票人丢弃之前得到的粒子，从(1)开始重新执行该投票过程；不存在窃听时，则计票人得到的信息有效，投票系统继续运行；(5)所述计票人收到投票人Alicei的量子签名和投票管理机构CA的量子量子盲签名的所有粒子序后，计票人投票的信息进行聚合签名，并将该聚合签名和加密的投票聚合信息通过经典量子融合信道传递给监票人；传递聚合签名粒子前，计票人产生一组非正交态粒子，每个粒子随机地处于四个态|0>,|1>,|+>和|->之一，计票人把这些非正交态粒子穿插进要传递的聚合签名粒子中，与监票人利用各自的量子测量装置共同检测窃听；如果存在窃听，则监票人丢弃之前得到的粒子，计票人重新生成聚合签名粒子；当计票人和监票人认为信道中不存在窃听后，监票人利用收到的粒子验证聚合信息签名并公布所有n个投票人的聚合投票结果。更进一步，本专利技术的投票系统中的n个投票人、投票管理机构、计票人、监票人以及经典量子融合信道用于实现以下步骤：Step1、投票管理机构制备N个含n+1个粒子的GHZ纠缠态，CA保留每个GHZ中第n+1个粒子并得到粒子序列LCA＝(P1(n+1),P2(n+1),...,PN(n+1))，将每个GHZ纠缠态前n个粒子分别分发给各投票人Alicei(i＝1,…,n)，生成n个粒子序列分发前，对于任一序列投票管理机构产生一组非正交态粒子，每个粒子随机地处在四个态|0>,|1>,|+>,|->之一，然后把这些粒子穿插进的随机位置，CA得到的n个新的粒子序列分别记为并发送给各投票人；CA与投票人Alicei一起检测窃听,CA声明插入的非正交态粒子的位置和基信息(BZ＝{|Z0>,|Z1>}＝{|0>,|1>}或Bx＝{|X0>,|X1>}＝{|+x>,|-x>}),Alicei从中选出这些非正交粒子并用相应的基测本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于量子同态签名的量子投票系统，其特征在于，系统包括n个投票人、投票管理机构、计票人、监票人以及经典量子融合信道；所述n个投票人、投票管理机构、计票人、监票人以及经典量子融合信道用于实现以下功能：(1)投票管理机构制备多个含n+1个粒子的扩展GHZ纠缠态(以下简称GHZ纠缠态)，投票管理机构将其中的每个GHZ纠缠态中的第n+1个粒子留给自己，生成一个粒子序LCA，将每个GHZ纠缠态前n个粒子分别分发给各投票人，生成n个粒子序列

【技术特征摘要】
1.一种基于量子同态签名的量子投票系统，其特征在于，系统包括n个投票人、投票管理机构、计票人、监票人以及经典量子融合信道；所述n个投票人、投票管理机构、计票人、监票人以及经典量子融合信道用于实现以下功能：(1)投票管理机构制备多个含n+1个粒子的扩展GHZ纠缠态(以下简称GHZ纠缠态)，投票管理机构将其中的每个GHZ纠缠态中的第n+1个粒子留给自己，生成一个粒子序LCA，将每个GHZ纠缠态前n个粒子分别分发给各投票人，生成n个粒子序列对于任一序列分发前投票管理机构产生一组非正交态粒子，每个粒子随机地处于四个态|0>,|1>,|+>和|->之一，投票管理机构把这些非正交态粒子穿插进的随机位置，而后投票管理机构CA与任一投票人Alicei共同检测窃听，i＝1,…,n；如果存在窃听，则Alicei丢弃得到的粒子，投票管理机构重新分发；如不存在窃听，Alicei与监票人产生并分发共享量子密钥监票人与选票管理机构产生并分发共享密钥KC,C；(2)投票管理机构给所述n个投票人、计票人和监票人发放量子密钥串作为量子身份ID，用于投票人、计票人和监票人的身份核对；任一投票人Alicei、计票人和监票人将身份信息量子ID发送给所述投票管理机构，然后投票管理机构CA判断各方的量子ID是否合格，判断Alicei是否有资格投票，i＝1,…,n；如果不合格或没有资格投票，投票管理机构CA拒绝颁票；如果合格且有资格投票，则CA对合法的投票人Alicei进行投票登记，并随机给该投票人一个唯一的选票ID；(3)投票人Alicei将自己的投票子信息与共享密钥做直和运算以完成投票子信息的盲化操作；投票人Alicei通过幺正变换将盲化后的投票子信息编码在自己的纠缠粒子序列上，得到新粒子序列该新粒子序列为投票人Alicei的量子签名粒子，i＝1,…,n；对粒子序列Alicei产生一组非正交态粒子，每个粒子随机地处于四个态|0>,|1>,|+>和|->之一，Alicei把产生的这些非正交态粒子穿插进各自量子签名粒子的随机位置，Alicei将盲化的投票子信息以及带有非正交态粒子的量子签名粒子通过经典量子融合信道传送到所述计票人处；同时Alicei与计票人共同检测窃听；如果存在窃听，则计票人丢弃得到的粒子，从(1)开始重新执行该投票过程；不存在窃听，则计票人得到的信息有效，投票系统继续运行；(4)所述投票管理机构对粒子序LCA中每个粒子进行幺正操作，操作后的粒子序L′CA为投票管理机构对Alicei的投票过程的量子盲签名，i＝1,…,n；投票管理机构产生一组非正交态粒子，每个粒子随机地处于四个态|0>,|1>,|+>和|->之一，投票管理机构把这些非正交态粒子穿插进粒子序L′CA的随机位置，投票管理机构将带有非正交态粒子的量子盲签名通过经典量子融合信道传送到所述计票人处，同时投票管理机构与计票人共同检测窃听；如果存在窃听，则计票人丢弃之前得到的粒子，从(1)开始重新执行该投票过程；不存在窃听时，则计票人得到的信息有效，投票系统继续运行；(5)所述计票人收到投票人Alicei的量子签名和投票管理机构CA的量子量子盲签名的所有粒子序后，计票人投票的信息进行聚合签名，并将该聚合签名和加密的投票聚合信息通过经典量子融合信道传递给监票人；传递聚合签名粒子前，计票人产生一组非正交态粒子，每个粒子随机地处于四个态|0>,|1>,|+>和|->之一，计票人把这些非正交态粒子穿插进要传递的聚合签名粒子中，与监票人利用各自的量子测量装置共同检测窃听；如果存在窃听，则监票人丢弃之前得到的粒子，计票人重新生成聚合签名粒子；当计票人和监票人认为信道中不存在窃听后，监票人利用收到的粒子验证聚合信息签名并公布所有n个投票人的聚合投票结果。2.如权利要求1所述的基于量子同态签名的量子投票系统，其特征在于，所述n个投票人、投票管理机构、计票人、监票人以及经典量子融合信道用于实现以下步骤：Step1、投票管理机构制备N个含n+1个粒子的GHZ纠缠态，CA保留每个GHZ中第n+1个粒子并得到粒子序列LCA＝(P1(n+1),P2(n+1),…,PN(n+1))，将每个GHZ纠缠态前n个粒子分别分发给各投票人Alicei(i＝1,…,n)，生成n个粒子序列分发前，对于任一序列CA产生一组非正交态粒子，每个粒子随机地处在四个态|0>,|1>,|+>,|->之一，然后把这些粒子穿插进的随机位置，CA得到的n个新的粒子序列分别记为并发送给各投票人；CA与投票人Alicei一起检测窃听,CA声明插入的非正交态粒子的位置和基信息(BZ＝{|Z0>,|Z1>}＝{|0>,|1>}或Bx＝{|X0>,|X1>}＝{|+x>,|-x>}),Alicei从中选出这些非正交粒子并用相应的基测量,i＝1,…,n；CA通过比较自己插入非正交态粒子测量结果和Alicei对相应位置粒子的测量结果来检测窃听；如果错误率小于设定的阈值δ，则认为信道是安全的，不存在窃听攻击；Step2、投票人Alicei和监票人Charlie共享量子密钥监票人Charlie和选票管理机构CA之间共享量子密钥KC,C；Step3、投票人Alicei将自己的身份证明信息发送到选票管理中心，CA利用零知识量子身份认证法认证Alicei的身份，判断其是否有资格投票，如果没有，则拒绝发票；如果有投票资格，则CA对投票人Alicei进行投票登记，并随机给投票人一个唯一的选票ID，所述的每个选票ID只有对应的投票人...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋云，李志慧，李永明，
申请(专利权)人：陕西师范大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61