一种损耗容忍参考系无关量子数字签名方法技术

本发明专利技术提出一种损耗容忍的参考系无关量子数字签名方法，应用于量子数字签名系统中。量子数字签名具有防伪造，防抵赖，可转移三个特点。量子数字签名方案包括三方参与者，分别为Alice，Bob，Charlie。该方法分为分配阶段和消息阶段，在密钥分配阶段利用损耗容忍的参考系无关协议产生密钥，然后在消息阶段通过使用生成的密钥完成数字签名。考虑到源端存在不可忽略的态制备误差问题，我们在建立现实协议的同时也假定一个虚拟协议来定义相位误码率，并表征为虚拟比特误码率。本协议在态制备误差存在的情况下，签名率受到的影响比较小，系统的性能表现要优于未采用损耗容忍方法的参考系无关量子数字签名协议。无关量子数字签名协议。无关量子数字签名协议。

【技术实现步骤摘要】
一种损耗容忍参考系无关量子数字签名方法


[0001]本专利技术属于量子通信中的量子数字签名领域，具体为一种损耗容忍参考系无关量子数字签名方法。

技术介绍

[0002]数字签名在现代密码通信中起着重要的作用，目的之一就是在网络环境中代替传统的手工签字与印章。数字签名机制作为保障网络信息安全的手段之一，可以解决伪造、抵赖、冒充和篡改问题。但是随着软硬件的提升以及量子计算机的快速发展，经典数字签名的安全性受到威胁。因此人们提出了量子数字签名(Quantum Digital Signature，QDS)以应对新的威胁。量子数字签名的安全性由量子力学定律保证，理论上具有无条件安全性。第一个量子协议由D.Gottesman和I.Chuang两人提出。在这个协议中，需要满足长时间的量子存储和非破坏性态比对技术和不存在窃听的量子信道。从实验技术上来说，这些要求难以实现。在这个协议后，许多量子数字签名协议被提出并在实验上实现。其中R.Amiri等人提出的无需安全量子信道的量子数字签名协议允许量子信道存在第三方窃听，在此协议中，发送方和接收方在KGP过程中制备密钥。目前量子数字签名协议已经比较成熟，但是在实际应用时，还可能存在态制备误差问题，即在光源制备时调制器产生误差，该误差会影响密钥的生成，并且对数字签名性能造成影响。

技术实现思路

[0003]本专利技术目的在于针对上述现有技术的不足，提出了一种损耗容忍参考系无关量子数字签名方法，应用于量子数字签名系统中。在密钥生成阶段采用损耗容忍的参考系无关方法，不需要校准通信双方的参考系，仅需要制备四个态，并且允许存在态制备误差，不仅减少了量子数字签名的安全漏洞，还降低了实验难度。
[0004]本专利技术解决技术问题采取的技术方案是采用一种损耗容忍参考系无关量子数字签名方法，在量子密钥分配过程中，通信双方分别为发送方与接收方。发送方与接收方随机从Z基、X基、Y基选择进行投影测量，并公布测量结果。假设发送方发送的总脉冲数为N，根据参考系无关协议得到的增益以及误码率可以得到不同基下的脉冲个数以及误码个数。之后通过损耗容忍方法，可以得到不同基下的真空态和单光子响应计数，同时可以计算不同基下的单光子误码率。
[0005]该方法包括发送阶段与消息阶段。其中Alice为发送方，Bob和Charlie为接收方。
[0006]在密钥分发阶段，Alice与Bob，Alice与Charlie根据密钥产生协议生成比特串。其中Alice分别向Bob和Charlie发送量子态，Bob(Charlie)量子态进行投影测量。
[0007]在消息阶段，发送者Alice将要签名的消息和签名发送给Bob和Charlie。Bob和Charlie将签名与自己的密钥匹配，根据是否满足相应的阈值条件，来判断是否接收签名和消息。
[0008]一种损耗容忍参考系无关量子数字签名方法，应用于量子数字签名系统，量子数
字签名系统包括合法方Alice、Bob、Charlie，在量子密钥分配过程中，通信双方分别为发送方与接收方，Alice为发送方，Bob和Charlie分别为接收方；
[0009]所述方法包括密钥分配阶段和消息阶段，具体为：
[0010]步骤1，在密钥分配阶段，Alice发送N个脉冲，Bob和Charlie作为接收方，具体步骤为：
[0011]步骤1.1，在密钥产生阶段中，根据损耗容忍参考系无关密钥生成协议，定义
[0012]发送方Alice随机选择Z
A
，X
A
，Y
A
制备四种量子态并发送态，接收方Bob接收到Alice发送的态之后，随机选择Z
B
，X
B
，Y
B
基测量接收到的态，或者接收方Charlie接收到Alice发送的态之后随机选择Z
C
，X
C
，Y
C
测量接收到的态。以时间
‑
相位编码的RFI
‑
QKD为例，假设Z基上态制备无缺陷，短臂对应的态为|0
Z
>，长臂对应的态为|1
Z
>。然而实际光衰减器(optical attenuator)或者强度调制器(intensity modulator)导致的态制备误差，Alice实际制备|0
Z
>和|1
Z
>的概率分别为和在X基和Y基，分束器(beam splitters)的不对称分光率也是导致态制备不完美的缺陷，一般表示为δ3，δ4。除此之外，相位调制器也可能导致一些相位误差θ1，θ2。根据上面描述，并由于存在偏转角β，Alice发送给Bob和Charile的四种态可以表示为：
[0013][0014][0015][0016][0017]其中，δ1、δ2、δ3、δ4分别对应实际制备|φ
0Z
>、|φ
1Z
>、|φ
0x
>、|φ
0Y
>的误差；θ1和θ2是相位调制器引起的相位误差；β是偏转角。
[0018]Z基，X基，Y基每种基都有两种态，一种是positive态，用Z0，X0，Y0来表示，一种是negative态，用Z1，X1，Y1来表示。
[0019]步骤1.2，在虚拟协议中，Alice分别随机制备四种量子态这四种态分别对应的密度矩阵即其中s∈{0，1}，ω∈{X，Y，Z}。
[0020][0021]这里为投影在布洛赫球上的矢量系数，I为单位矩阵，为泡利矩阵。
[0022]Alice制备量子态
[0023][0024]并且使用Z基测量虚拟系统A，将虚拟系统A发送给Charli
e
，接着将虚拟系统B发送给B
o
b。
[0025]A
e
表示Alice的扩展系统，表示的纯化态。发射和发射也可以等价的表示为相同的过程。
[0026]因此在该虚拟协议中，Alice同样需要制备其他两种态以及
[0027]接收方Bob接收到Alice发送的态之后，随机选择Z
B
，X
B
或Y
B
基测量接收到的态，接收方Charlie接收到Alice发送的态之后随机选择Z
C
，X
C
，Y
C
测量接收到的态。
[0028]步骤1.3，Alice和Bob或Charlie从原始脉冲数N中随机选择部分比特k用于估
[0029]计信道传输时的误码，若误码大于一定值，则终止协议。定义Alice与Bob之间，Bob选取部分比特后剩余n位比特为Alice选取部分比特后剩余n位比特为定义Alice与Charlie之间，Alice选取部分比特后剩余n位比特为Charlie选取部分比特后剩本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种损耗容忍参考系无关量子数字签名方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，在密钥分发阶段，根据损耗容忍参考系无关密钥生成协议，发送方Alice随机选择Z
A
，X
A
，Y
A
制备四种量子态，发送给Bob和Charlie；所述四种量子态为：所述四种量子态为：所述四种量子态为：所述四种量子态为：其中，δ1、δ2、δ3、δ4分别对应实际制备|φ
0Z
>、|φ
1Z
>、|φ
0X
>、|φ
0Y
>的误差；θ1和θ2是相位调制器引起的相位误差；β是偏转角；步骤2，在虚拟协议中，Alice制备并发送量子态步骤2，在虚拟协议中，Alice制备并发送量子态步骤2，在虚拟协议中，Alice制备并发送量子态接收方Bob接收到Alice发送的量子态之后，随机选择Z
B
，X
B
或Y
B
基测量接收到的态，接收方Charlie接收到Alice发送的量子态之后随机选择Z
C
，X
C
，Y
C
测量接收到的态。2.根据权利要求1所述一种损耗容忍参考系无关量子数字签名方法，其特征在于，步骤2中，Alice或者Bob在α基或ω基下测量接收到的态后得到二进制比特s或j时的联合概率为其中α,ω∈{X,Y,Z}，s,j∈{0,1}；P
jω,vir
是Alice发送虚拟系统A或B的概率，k是接收方选择ω基测量的概率，q
sα|t
表示σ
t
的传输率，σ

【专利技术属性】
技术研发人员：王琴，朱佳莉，张春辉，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：