[發明專利]一種具有態制備誤差容忍功能的量子數字簽名方法

在審

• 申請號: 202210829516.1
• 申請日: 2022-07-15
• 公開（公告）號: CN115021941A
• 公開（公告）日: 2022-09-06
• 發明（設計）人: 王琛;王琴;張春輝;李咸柯;徐佳歆
• 申請（專利權）人: 南京郵電大學
• 主分類號: H04L9/32
• 分類號: H04L9/32;H04L9/08;H04B10/70;H04B10/85
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 任志艷

本發明針對量子數字簽名中的源端態制備誤差的問題，提出了一種具有態制備誤差容忍功能的量子數字簽名方法，以提高系統的整體安全性。由于實際設備器件和實驗條件限制，光源端態制備時會不可避免地引入一定誤差，傳統的量子數字簽名方法無法消除態制備誤差帶來的影響，進而導致簽名率的顯著降低和傳輸距離的縮短。本發明采用態制備誤差容忍方案，避免了實際應用中由于態制備裝置的不理想可能引入的安全性漏洞,可以更精確地估計相位誤碼，降低光源態制備誤差帶來的影響。相比于傳統量子數字簽名方法，提高了現實條件下量子數字簽名系統對態制備誤差的魯棒性，增強了量子數字簽名系統的實際性能。

技術領域

本發明是一種新型光源態制備誤差容忍的量子數字簽名方法，具體涉及量子數字簽名技術，屬于量子通信領域。

背景技術

數字簽名是現代密碼學的一個重要分支，主要用于確認發送方的身份信息以及保證消息的正確性和完整性，在多種通信任務中廣泛使用。傳統的手寫簽名是直接簽署在書面文件上，這種方式下簽名的真實性無法得到保證。而數字簽名是雙方通過摘要算法來比對簽名信息，和傳統簽名相比，準確性得到大幅提升。數字簽名可以確保以下特性：數字郵件是由聲明的發送方所創建（真實性）；郵件信息未被更改（完整性）；發送方不能否認已發送的郵件（不可否認性）。然而隨著計算機能力的提升，經典數字簽名使用壽命的期限將會進一步縮短，量子數字簽名成為當今研究的熱點。

量子數字簽名（Quantum Digital Signature，QDS）技術，其安全性不再來源于數學問題的求解，而是和量子物理的原理有關，是借助量子力學基本原理來實現QDS的無條件安全性。

目前的量子數字簽名協議中存在的問題是，對于光源部分存在態制備完美的假設，而態制備缺陷是普遍存在的實驗問題。具體來講，QDS系統中的光源并不是真正的單光子光源，并且用于編碼的光學器件存在精確度上的局限性從而引入一些誤差。針對這一量子數字簽名的現實安全性缺陷，即光源端態制備誤差，本發明提出了態制備誤差容忍方案，進一步提高QDS的實用性能。

發明內容

本發明目的在于解決目前QDS系統中的光源態制備誤差問題，提出一種對態制備誤差具有較好的容忍性的新方法，可以減少因態制備誤差引入的光源端缺陷，從而增強QDS的安全性，提高實用性能。

本發明解決其技術問題所采取的技術方案是：將態制備誤差容忍分析方法與傳統量子數字簽名方法結合，能夠更加精確的進行相位誤碼估計，大大降低因器件限制而導致的光源態制備誤差帶來的影響。具體流程如下：

本發明的一種具有態制備誤差容忍功能的量子數字簽名方法，包括如下步驟：

步驟1，采用三態BB84協議，使用參數來刻畫發射端Alice在隨機制備量子態時由于設備存在缺陷所產生的誤差大小，Alice制備的三個存在誤差的量子態表示為如下形式：

（15）

其中和即為制備量子態和時所產生的誤差大小，在后面仿真計算時，為了方便起見，統一記為，且；

步驟2，定義虛擬協議，在虛擬協議當中，Alice在Z基下制備初始量子態，其中A_e代表Alice的擴展系統，B代表要發送給Bob的系統；A是虛擬的量子比特系統；Alice發射量子態給Bob，Alice選擇X基去測量系統A，Bob同樣選擇X基去測量系統B，分別測得比特值和的聯合概率，即虛擬計數率；

步驟3，定義為真實協議中Z基上的相位誤碼率，并定義虛擬協議安全性等價于真實協議，且虛擬協議X基上的比特誤碼率等價于真實協議中Z基上的相位誤碼率,即；

在虛擬協議中，X基上的比特誤碼率的計算表達式如下：

（7）

步驟4，根據最小熵和系統本身造成的誤碼上界求解簽名所需要的脈沖數N，再根據公式：

即可得到本方案的簽名率大小，其中，N表示簽名半比特信息所需要的最小脈沖數。