CN106789031A - 一种单电路板上集成的量子认证系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种单电路板上集成的量子认证系统，包括：一体化电路板、从左向右依次通过锡焊互联集成在一体化电路板上并通过外壳封装于一体的量子光源模块、插卡槽、解码探测模块和触摸屏显示器芯片，以及由窗口上封装固定有光学PUF的激励光调制器芯片构成的量子钥匙卡片。本发明通过将光学PUF和激励光调制器芯片集成一体，避免了激励光与光学PUF之间的位置对准问题，并利用波前反馈自适应算法，解决了量子钥匙卡片与解码探测模块之间的位置对准问题，极大地提高了系统的稳定性和可重复性。本发明还具有体积小、重量轻、结构紧凑、使用和携带便捷的优势，适于量子安全认证、身份识别、量子加密领域。

Description

一种单电路板上集成的量子认证系统
技术领域
本发明涉及量子安全认证、身份识别、量子加密领域，具体是指一种单电路板上集成的量子认证系统。
技术背景
身份认证是物联网、通信、金融等领域的关键技术，但随着信息技术的快速发展，利用经典密码、经典生物信息等方式进行身份验证的安全性受到越来越严峻的挑战，黑客仅用数分钟就可复制身份证、银行卡，或者伪造指纹等生物特征信息进行冒名认证，对国民经济造成巨大损失，为社会安全带来极大隐患。此外，飞速发展的量子计算技术也逐渐成为RSA等公钥密码体系的巨大威胁。因此，发展下一代安全认证技术迫在眉睫。
量子认证是近些年提出的一种全新的安全认证技术。其利用物理不可克隆函数（Physical Unclonable Function，PUF）实体作为钥匙，利用量子态的激励-响应对作为密码，由量子不可克隆定理和物理不可克隆函数双重保障，可从物理原理上确保身份信息不被克隆和冒用，具有“绝对”的安全性。即便采用量子计算机也无法对其进行破解。有望对身份认证、识别和加密领域产生革命性影响。
然而，当前报道的量子认证系统都是采用光学元器件在实验室光学平台上搭建的复杂光路系统，如Sebastianus A. Goorden等人最早实现的量子认证实验系统（Optica,2014, 1(6): 421-424）及公开日为2016年4月20日，公开号为CN105515779A的中国专利文献公开的一种基于光学PUF的量子安全认证系统。这些系统体积庞大、操作复杂、对系统中个部件的位置对准和稳定性要求极高、使用不够灵活方便，很难在实际场景中进行应用。要实现量子认证系统的实用化，需要进一步使量子认证系统高度集成化、微小型化。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种体积小、重量轻、结构紧凑、操作简单、使用和携带便捷的单电路板上集成的量子认证系统。
为实现上述目的，本发明采用技术方案如下：
一种单电路板上集成的量子认证系统，其特征在于，包括一体化电路板、量子光源模块、插卡槽、解码探测模块、触摸屏显示器芯片、内表面黑化处理的外壳、激励光调制器芯片和光学PUF；所述量子光源模块、插卡槽、解码探测模块通过锡焊从左向右依次集成在一体化电路板上，插卡槽上插接激励光调制器芯片，触摸屏显示器芯片焊接于一体化电路板的最右端，以一体化电路板、触摸屏显示器作为两个端面通过外壳封装成一体，所述触摸屏显示器芯片的显示界面露在整体外面；所述光学PUF封装固定在激励光调制器芯片的窗口上。
所述一体化电路板用于驱动/控制/处理/存储，包含有驱动电路、嵌入式微控制器、处理器、存储器、SOC，同时为量子光源模块、解码探测模块、触摸屏显示器芯片和激励光调制器芯片提供驱动、控制电信号，并对解码探测模块和激励光调制器芯片的激励-响应信息进行存储和处理，将认证结果输出到触摸屏显示器芯片上显示，还能将触摸屏显示器芯片上输入的信息进行处理传输。
所述量子光源模块是产生量子光的器件芯片，可以采用精密衰减的脉冲激光器芯片，也可以采用基于量子点或金刚石NV色心的单光子源芯片，还可以采用基于非线性效应的纠缠源芯片；所述量子光源模块产生的均匀平面光束的尺寸大于光学PUF 的尺寸，可将其完全覆盖，从而避免了激励光斑与光学PUF之间的相对空间位置移动问题。
所述插卡槽的槽口内的底部设置有电路接口，所述激励光调制器芯片的底部端面设置有与插卡槽的电路接口匹配的电路插口，通过电路接口和电路插口匹配结合，实现每次插卡时由一体化电路板为其提供驱动和控制。
所述解码探测模块是对量子光的空间状态进行解码探测的器件芯片，可以采用EMCCD芯片或EBCCD芯片或SCMOS芯片这类对量子响应信号直接成像进行解码的方式，也可以采用空间光调制器芯片将量子响应信号先调制成均匀平面后光聚焦或直接自适应调制聚焦到单光子计数器芯片进行探测的间接解码方式。
所述解码探测模块采用波前反馈自适应算法。当采用EMCCD芯片或EBCCD芯片或SCMOS芯片时，该算法可以对探测到的二维图像响应信号自动进行平移、旋转操作后与激励-响应数据库中的数据进行比对；当采用空间光调制器芯片结合单光子计数器芯片时，该算法可以根据单光子计数器探测到的光子数反馈对空间光调制器进行自适应调节，将空间分布的量子光调制成均匀平行光聚焦或直接聚焦到单光子计数器芯片上，实现解码探测，并可对空间光调制器芯片上的二维图像响应信号自动进行平移、旋转操作。
所述外壳的内表面采用黑化处理，以消除系统内部的杂散光对信号光的影响。
所述激励光调制器芯片是对量子光的空间状态进行调制的芯片，可采用透射模式的液晶阵列或数字微镜阵列芯片，在除了光学PUF所覆盖位置外均不透光。
所述光学PUF 采用无序微纳米粒子构成的散射体，该散射体对激励光具有一定的透射率。光学PUF 封装固定在激励光调制器芯片的窗口上集成一体构成量子钥匙卡片，由待认证身份的人持有或与待认证的物体绑定。
本发明的具体使用方法如下：
（a）首先将量子钥匙卡片K1插入插卡槽中进行注册
通过触摸屏显示器芯片输入其名称：K1，然后输入需要注册的激励数目N，此时，一体化电路板会给量子光源模块供电，并依次产生N个二维随机矩阵输入到量子钥匙卡片K1的激励光调制器芯片上，同时将这N个二维随机矩阵存储起来，相应的解码探测模块会依次采集到N个二维矩阵响应信号，这时一体化电路板会将这N个二维矩阵响应信号存储起来；这样就获得了量子钥匙卡片K1的N对激励-响应对二维矩阵数据库，完成了量子钥匙卡片K1的注册；以此类推，可以对K2、K3…….Km不同的量子钥匙卡片进行注册；
（b）将待认证的量子钥匙卡片K1插入到插卡槽中进行认证
通过触摸屏显示器芯片输入其名称：K1，此时，一体化电路板会给量子光源模块供电，再从已注册的量子钥匙卡片K1的N对激励-响应对二维矩阵数据库中随机抽出1个激励矩阵输入到量子钥匙卡片K1的激励光调制器芯片上，相应的解码探测模块会产生1个二维矩阵响应信号，并通过波前反馈自适应算法对探测到的二维矩阵响应信号自动进行平移、旋转操作后与激励-响应数据库中的响应矩阵一一进行比对，若吻合度大于系统可接受认证的设定值，则认为认证成功，否则失败；最后将认证结果输出至触摸屏显示器上进行显示；采用该算法后，量子钥匙卡片K1和解码探测模块之间的相对位置就无需精确对准，从而大大提高认证系统的效率、可重复性和实用性；
（c）每成功认证一次，则自动删除激励-响应对二维矩阵数据库中已用过的激励-响应对，以防重放攻击。
为了降低非法量子钥匙卡片被错误认证成功的几率、提高认证的有效性，可以对一个量子钥匙卡片采用多组激励-响应对进行验证，此时非法量子钥匙卡片被错误认证成功的几率会随验证激励-响应对的数目成指数降低，从而有效提高认证的有效性。
本发明的有益效果如下：
本发明提出的单电路板上集成的量子认证系统是一种高度集成化的系统，具有体积小、重量轻、结构紧凑、操作简单、安装使用和携带便捷的优势；
本发明将光学PUF集成在激励空间光调制器阵列上形成一体化量子钥匙卡片，避免了量子光激励阵列与光学PUF之间的位置对准问题，极大地提高了系统的稳定性和可重复性；
本发明提出在解码探测模块上采用自适应平移、旋转算法，避免了量子响应光与解码探测模块之间的位置对准问题，极大地提高了系统的效率、可重复性和实用性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明采用量子点单光子源芯片和EMCCD芯片的单电路板上集成量子认证系统示意图；
图3为本发明采用脉冲激光器芯片和液晶空间光调制器芯片结合APD单光子计数器芯片的单电路板上集成量子认证系统示意图；
其中：1为一体化电路板；2为量子光源模块；21为脉冲激光器芯片；22为光衰减器；3为插卡槽；4为解码探测模块；41为液晶空间光调制器芯片；42为APD单光子计数器芯片；5为触摸屏显示器芯片；6为外壳；7为激励光调制器芯片；8为光学PUF。
具体实施方式
如图1所示，一种单电路板上集成的量子认证系统，包括：一体化电路板1、量子光源模块2、插卡槽、解码探测模块4、触摸屏显示器芯片5、内表面黑化处理的外壳6、激励光调制器芯片7和光学PUF8；所述量子光源模块2、插卡槽3、解码探测模块4通过锡焊从左向右依次集成在一体化电路板1上，插卡槽3上插接激励光调制器芯片7，触摸屏显示器芯片5焊接于一体化电路板1的最右端，以一体化电路板1、触摸屏显示器芯片5作为两个端面通过外壳6封装成一体，所述触摸屏显示器芯片5的显示界面露在整体外面；所述光学PUF8封装固定在激励光调制器芯片7的窗口上。
所述插卡槽3的槽口内的底部设置有电路接口，所述激励光调制器芯片7的底部端面设置有与插卡槽3的电路接口匹配的电路插口，通过电路接口和电路插口匹配结合，实现每次插卡时由一体化电路板1为其提供驱动和控制。
如图2所示，量子光源模块2采用量子点单光子源芯片，解码探测模块4采用EMCCD芯片，触摸屏显示器芯片5采用OLED触摸屏显示器芯片，外壳6采用内表面黑化的铝制外壳，激励光调制器芯片7采用液晶空间光调制器芯片，光学PUF8采用无序氧化钛纳米粒子光学PUF。所述无序氧化钛纳米粒子光学PUF通过半导体工艺集成在液晶空间光调制器芯片的窗口上，形成量子钥匙卡片，由待认证身份的人持有或与待认证的物体绑定。
所述一体化电路板1含驱动电路、嵌入式微控制器、处理器、存储器和SOC，同时为量子点单光子源芯片、EMCCD芯片、OLED触摸屏显示器芯片和液晶空间光调制器芯片提供驱动、控制电信号，并对EMCCD芯片和液晶空间光调制器芯片的激励-响应信息进行存储和处理，将认证结果输出到OLED触摸屏显示器芯片上显示，还能将OLED触摸屏显示器芯片上输入的信息进行处理传输。
采用EMCCD芯片对量子响应信号直接成像进行解码，并采用波前反馈自适应算法对探测到的二维图像响应信号自动进行平移、旋转操作后与激励-响应数据库中的数据进行比对。
透射式的液晶空间光调制器芯片在除了无序氧化钛纳米粒子光学PUF所覆盖位置外均不透光，且其底部端面有电路插口，可与插卡槽3上的电路接口匹配，实现每次插卡时由驱动/控制/处理/存储一体化电路板1为其提供驱动和控制。
或者，如图3所示，量子光源模块2采用脉冲激光器芯片21、光衰减器22，解码探测模块4采用液晶空间光调制器芯片41、APD单光子计数器芯片42，触摸屏显示器芯片5采用液晶触摸屏显示器芯片，外壳6采用内表面黑化的塑料外壳6、激励光调制器芯片7采用数字微镜芯片7，光学PUF8采用二氧化硅嵌埋无序金纳米粒子光学PUF 8。
其中，光衰减器22通过半导体工艺集成在脉冲激光器芯片21窗口上，使输出的激光每个脉冲中包含的光子数少于1个，形成量子光源。集成有光衰减器22的脉冲激光器芯片21、插卡槽3、液晶空间光调制器芯片41、APD单光子计数器芯片42、液晶触摸屏显示器芯片从左到右依次通过锡焊互联集成在驱动/控制/处理/存储一体化电路板1上，并通过内表面黑化塑料外壳封装于一体，其中液晶触摸屏显示器芯片的显示界面一侧露在外面。二氧化硅嵌埋无序金纳米粒子光学PUF通过半导体工艺集成在数字微镜芯片的窗口上，形成量子钥匙卡片，由待认证身份的人持有或与待认证的物体绑定。
驱动/控制/处理/存储一体化电路板1含驱动电路、嵌入式微控制器、处理器、存储器和SOC，同时为脉冲激光器芯片21、液晶空间光调制器芯片41、APD单光子计数器芯片42、液晶触摸屏显示器芯片和数字微镜芯片提供驱动、控制电信号，并对液晶空间光调制器芯片41、数字微镜芯片和APD单光子计数器芯片42的激励-响应信息进行存储和处理，将认证结果输出到液晶触摸屏显示器芯片上显示，还能将液晶触摸屏显示器芯片上输入的信息进行处理传输。
插卡槽3底部留有电路接口，可以和数字微镜芯片匹配。
液晶空间光调制器芯片41和APD单光子计数器芯片42采用波前反馈自适应算法进行控制，将量子响应信号先调制成均匀平面后光聚焦或直接自适应调制聚焦到单光子计数器芯片进行探测，实现间接解码。并可对空间光调制器芯片上的二维图像响应信号自动进行平移、旋转操作后与激励-响应数据库中的数据进行比对；
数字微镜芯片在除了二氧化硅嵌埋无序金纳米粒子光学PUF所覆盖位置外均不透光，且其底部端面有电路插口，可与插卡槽3上的电路接口匹配，实现每次插卡时由驱动/控制/处理/存储一体化电路板1为其提供驱动和控制。
所述系统无论采用上述的哪种结构，其具体使用方法均如下：
（a）首先将量子钥匙卡片K1插入插卡槽3中进行注册
通过触摸屏显示器芯片5输入其名称：K1，然后输入需要注册的激励数目N，此时，一体化电路板1会给量子光源模块2供电，并依次产生N个二维随机矩阵输入到量子钥匙卡片K1的激励光调制器芯片7上，同时将这N个二维随机矩阵存储起来，相应的解码探测模块4会依次采集到N个二维矩阵响应信号，这时一体化电路板1会将这N个二维矩阵响应信号存储起来；这样就获得了量子钥匙卡片K1的N对激励-响应对二维矩阵数据库，完成了量子钥匙卡片K1的注册；以此类推，可以对K2、K3…….Km不同的量子钥匙卡片进行注册；
（b）将待认证的量子钥匙卡片K1插入到插卡槽3中进行认证
通过触摸屏显示器芯片5输入其名称：K1，此时，一体化电路板1会给量子光源模块2供电，再从已注册的量子钥匙卡片K1的N对激励-响应对二维矩阵数据库中随机抽出1个激励矩阵输入到量子钥匙卡片K1的激励光调制器芯片上，相应的解码探测模块4会产生1个二维矩阵响应信号，并通过波前反馈自适应算法对探测到的二维矩阵响应信号自动进行平移、旋转操作后与激励-响应数据库中的响应矩阵一一进行比对，若吻合度大于系统可接受认证的设定值，则认为认证成功，否则失败；最后将认证结果输出至触摸屏显示器5上进行显示；采用该算法后，量子钥匙卡片K1和解码探测模块4之间的相对位置就无需精确对准，从而大大提高认证系统的效率、可重复性和实用性；
（c）每成功认证一次，则自动删除激励-响应对二维矩阵数据库中已用过的激励-响应对，以防重放攻击。
为了降低非法量子钥匙卡片被错误认证成功的几率、提高认证的有效性，可以对一个量子钥匙卡片采用多组激励-响应对进行验证，此时非法量子钥匙卡片被错误认证成功的几率会随验证激励-响应对的数目成指数降低，从而有效提高认证的有效性。

Claims (10)

1.一种单电路板上集成的量子认证系统，其特征在于，包括一体化电路板（1）、量子光源模块（2）、插卡槽（3）、解码探测模块（4）、触摸屏显示器芯片（5）、内表面黑化处理的外壳（6）、激励光调制器芯片（7）和光学PUF（8）；所述量子光源模块（2）、插卡槽（3）、解码探测模块（4）从左向右依次集成在一体化电路板（1）上，插卡槽（3）上插接激励光调制器芯片（7），触摸屏显示器芯片（5）焊接于一体化电路板（1）的最右端，以一体化电路板（1）、触摸屏显示器芯片（5）作为两个端面通过外壳（6）封装成一体，所述触摸屏显示器芯片（5）的显示界面露在整体外面；所述光学PUF（8）封装固定在激励光调制器芯片（7）的窗口上。
2.根据权利要求1所述的单电路板上集成的量子认证系统，其特征在于：所述一体化电路板（1）用于驱动、控制、处理、存储，包含有驱动电路、嵌入式微控制器、处理器、存储器、SOC，同时为量子光源模块（2）、解码探测模块（4）、触摸屏显示器芯片（5）和激励光调制器芯片（7）提供驱动、控制电信号，并对解码探测模块（4）和激励光调制器芯片（7）的激励-响应信息进行存储和处理，将认证结果输出到触摸屏显示器芯片（5）上显示，同时还将触摸屏显示器芯片（5）上输入的信息进行处理传输。
3.根据权利要求1所述的单电路板上集成的量子认证系统，其特征在于：所述量子光源模块（2）是产生量子光的器件芯片，采用精密衰减的脉冲激光器芯片，或者采用基于量子点或金刚石NV色心的单光子源芯片，或者采用基于非线性效应的纠缠源芯片。
4.根据权利要求1或3所述的单电路板上集成的量子认证系统，其特征在于：所述量子光源模块（2）产生的均匀平面光束的尺寸大于光学PUF（8）的尺寸。
5.根据权利要求1所述的单电路板上集成的量子认证系统，其特征在于：所述插卡槽（3）的槽口内的底部设置有电路接口，所述激励光调制器芯片（7）的底部端面设置有与插卡槽（3）的电路接口匹配的电路插口。
6.根据权利要求1所述的单电路板上集成的量子认证系统，其特征在于：所述解码探测模块（4）是对量子光的空间状态进行解码探测的器件芯片，采用EMCCD芯片，或EBCCD芯片，或SCMOS芯片，或空间光调制器芯片结合单光子计数器芯片。
7.根据权利要求6所述的单电路板上集成的量子认证系统，其特征在于：所述解码探测模块（4）采用波前反馈自适应算法；当采用EMCCD芯片或EBCCD芯片或SCMOS芯片时，通过波前反馈自适应算法对探测到的二维图像响应信号自动进行平移、旋转操作后与激励-响应数据库中的数据进行比对；当采用空间光调制器芯片结合单光子计数器芯片时，通过波前反馈自适应算法根据单光子计数器探测到的光子数反馈对空间光调制器进行自适应调节，将空间分布的量子光调制成均匀平行光聚焦或直接聚焦到单光子计数器芯片上，实现解码探测，并对空间光调制器芯片上的二维图像响应信号自动进行平移、旋转操作。
8.根据权利要求1所述的单电路板上集成的量子认证系统，其特征在于：所述激励光调制器芯片（7）是对量子光的空间状态进行调制的芯片，采用透射模式的液晶阵列或数字微镜阵列芯片，除光学PUF（8）覆盖的位置外其他部分均不透光。
9.根据权利要求1所述的单电路板上集成的量子认证系统，其特征在于：所述光学PUF（8）采用无序微纳米粒子构成的散射体；所述光学PUF（8）和激励光调制器芯片（7）集成一体构成量子钥匙卡片，由待认证身份的人持有或与待认证的物体绑定。
10.根据权利要求1所述的单电路板上集成的量子认证系统，其特征在于具体使用方法如下：
（a）首先将量子钥匙卡片K1插入插卡槽（3）中进行注册
通过触摸屏显示器芯片（5）输入量子钥匙卡片K1的名称：K1，然后输入需要注册的激励数目N；此时，一体化电路板（1）给量子光源模块（2）供电，并依次产生N个二维随机矩阵输入到量子钥匙卡片K1的激励光调制器芯片（7）上，同时将这N个二维随机矩阵存储起来，相应的解码探测模块（4）依次采集到N个二维矩阵响应信号，这时一体化电路板（1）将这N个二维矩阵响应信号存储起来；这样就获得了量子钥匙卡片K1的N对激励-响应对二维矩阵数据库，完成了量子钥匙卡片K1的注册；以此类推，同样对K2、K3…….Km不同的量子钥匙卡片进行注册；
（b）将待认证的量子钥匙卡片K1插入到插卡槽（3）中进行认证
通过触摸屏显示器芯片（5）输入量子钥匙卡片K1的名称：K1，此时，一体化电路板（1）会给量子光源模块（2）供电，再从已注册的量子钥匙卡片K1的N对激励-响应对二维矩阵数据库中随机抽出一个激励矩阵输入到量子钥匙卡片K1的激励光调制器芯片（7）上，相应的解码探测模块（4）产生一个二维矩阵响应信号，并通过波前反馈自适应算法对探测到的二维矩阵响应信号自动进行平移、旋转操作，然后与激励-响应数据库中的响应矩阵一一进行比对，若吻合度大于系统可接受认证的设定值，则认为认证成功，否则失败；最后将认证结果输出至触摸屏显示器芯片（5）上进行显示；采用波前反馈自适应算法后，量子钥匙卡片K1和解码探测模块（4）之间的相对位置就无需精确对准；
（c）每成功认证一次，则自动删除激励-响应对二维矩阵数据库中已用过的激励-响应对。
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