[發(fā)明專利]一種參考系無關(guān)量子數(shù)字簽名方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202210344383.9
• 申請日: 2022-03-31
• 公開（公告）號: CN114745129B
• 公開（公告）日: 2023-09-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 姬亮;張春輝;王琴
• 申請（專利權(quán)）人: 南京郵電大學(xué)
• 主分類號: H04L9/32
• 分類號: H04L9/32;H04L9/08
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標(biāo)代理有限公司 32200
• 代理人: 周科技

本發(fā)明提出一種參考系無關(guān)量子數(shù)字簽名方法，應(yīng)用于量子簽名系統(tǒng)之中。量子數(shù)字簽名系統(tǒng)包括用戶端Alice、Bob、Charlie三方參與者，其中Alice屬于簽名者，Bob、Charlie屬于被簽名者。該方法包括密鑰分發(fā)階段和消息階段，在密鑰分發(fā)階段利用參考系無關(guān)量子密鑰分發(fā)協(xié)議產(chǎn)生密鑰，然后在消息階段通過使用以上過程生成的密鑰完成量子數(shù)字簽名。本協(xié)議在用戶參考系之間存在比較大偏轉(zhuǎn)角的情況下，仍然可以保持較高的簽名率，其表現(xiàn)優(yōu)于現(xiàn)有的BB84量子數(shù)字簽名協(xié)議。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于量子通信中的量子數(shù)字簽名領(lǐng)域，具體為一種參考系無關(guān)量子數(shù)字簽名方法。

背景技術(shù)

數(shù)字簽名是一種重要的密碼學(xué)協(xié)議并且廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代遠(yuǎn)程通信中，例如分發(fā)郵件和電子金融等場景。大多數(shù)經(jīng)典的數(shù)字簽名，例如RSA,DSA(Digital?SignatureAlgorithm)以及ECDSA(Elliptic?Curve?Digital?Signature?Algorithm),其安全性都依賴于計算復(fù)雜度。但不幸的是，隨著量子計算的出現(xiàn)，經(jīng)典數(shù)字簽名受到威脅。在量子計算時代下，迫切需要安全的數(shù)字簽名。與經(jīng)典數(shù)字簽名相比，量子數(shù)字簽名(Quantum?DigitalSignature，QDS)基于量子力學(xué)理論，可以保證通信在信息論層面的安全性。第一個量子協(xié)議由D.Gottesman和I.Chuang兩人提出。在這個協(xié)議中，需要滿足長時間的量子存儲和非破壞性態(tài)比對技術(shù)和不存在竊聽的量子信道。從實驗技術(shù)上來說，這些要求難以實現(xiàn)。在這個協(xié)議后，許多量子數(shù)字簽名協(xié)議被提出并在實驗上實現(xiàn)。其中R.Amiri等人提出的無需安全量子信道的量子數(shù)字簽名協(xié)議允許量子信道存在第三方竊聽。在此協(xié)議中，發(fā)送方和接收方在KGP過程中制備密鑰。然而在量子密鑰分配過程中，通信的雙方的參考系需要校準(zhǔn)保持一致。它們需要保持偏振一致或干涉穩(wěn)定，這些需要耗費大量資源，例如在地面與衛(wèi)星量子通信中實現(xiàn)共同的偏振參考系不符合實際。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明目的在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種參考系無關(guān)量子數(shù)字簽名方法，應(yīng)用于量子數(shù)字簽名系統(tǒng)中，在密鑰生成階段采用參考系無關(guān)的量子密鑰分配方法，不需要校準(zhǔn)通信雙方的參考系，減少不必要的通信成本損耗，降低技術(shù)難度。

本發(fā)明解決技術(shù)問題采取的技術(shù)方案是采用一種參考系無關(guān)量子數(shù)字簽名方法(Reference-Frame-Independent?Quantum?Digital?Signature)，在量子密鑰分配過程中，通信雙方分別為發(fā)送方與接收方。發(fā)送方與接收方隨機從Z基、X基、Y基選擇進行投影測量，并公布測量結(jié)果。假設(shè)發(fā)送方發(fā)送的總脈沖數(shù)為N，根據(jù)參考系無關(guān)協(xié)議得到的增益以及誤碼率可以得到不同基下的脈沖個數(shù)以及誤碼個數(shù)。之后通過參數(shù)估計，可以得到不同基下的真空態(tài)和單光子響應(yīng)計數(shù)，同時可以計算不同基下的單光子誤碼率。由于在參考系無關(guān)協(xié)議下，Eve竊聽的信息量用I_E衡量，故對于參考系無關(guān)的量子數(shù)字簽名協(xié)議最小熵為：

該方法包括發(fā)送階段與消息階段。其中Alice為發(fā)送方，Bob/Charlie為接收方。在密鑰分發(fā)階段，Alice與Bob，Alice與Charlie根據(jù)密鑰產(chǎn)生協(xié)議生成比特串。其中Alice分別向Bob和Charlie發(fā)送量子態(tài)，Bob(Charlie)量子態(tài)進行投影測量。在消息階段，發(fā)送者Alice將要簽名的消息和簽名發(fā)送給Bob和Charlie。Bob和Charlie將簽名與自己的密鑰匹配，根據(jù)是否滿足相應(yīng)的閾值條件，來判斷是否接收簽名和消息。

該方法應(yīng)用于量子數(shù)字簽名(Quantum?Digital?Signature,QDS)傳輸系統(tǒng)中，QDS傳輸系統(tǒng)中包括用戶端Alice、Bob、Charlie；該方法包含密鑰分發(fā)階段和消息階段；

在密鑰分發(fā)階段，Alice作為發(fā)送方，發(fā)送N個脈沖，Bob和Charlie作為接收方，具體步驟為：