CN107196766B - 一种小型化量子认证系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种小型化的量子认证系统，该系统使用激光脉冲衰减的方法制备单光子源，利用高速空间光调制器对入射光波前进行编码，将编码后的光照射到随机介质构成的光学PUF钥匙上产生散斑响应，利用空间光调制器对散斑进行处理完成PUF钥匙的注册和认证过程；本发明将光路在三维方向上折叠并采用笼式光路系统减小了真个认证系统的体积，并采用商品化的器材，使制造成本极低。

Description

一种小型化量子认证系统

技术领域

本发明涉及一种身份认证系统，主要设计一种小型化的量子认证系统，属于安全认证技术领域。

背景技术

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。基于物理不可克隆函数（PUF）制备的安全认证系统具有极好的应用前景,有望对身份认证、识别和加密领域产生革命性影响。

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。既使用无序介质制备光学PUF钥匙以及使用经典激光作为激励光源构建安全认证系统后，Sebastianus A. Goorden等人提出的使用无序介质制备的光学PUF钥匙和量子光构建量子认证系统，后期又有公开日为2016年4月20日，公开号为CN105515779A的中国专利文献公开了一种基于光学PUF的量子安全认证系统，这些量子认证系统进行了改进使认证系统更容易工程实现，以及成本更低。

然而，这些量子认证系统的体积都非常庞大，限制了它们的实用化。因此，设计一种具有较小体积的量子认证系统对量子认证的实用化是很有必要的。

发明内容

为了克服量子认证系统体积庞大，不能实用化的不足，本发明提供一种小型化的量子认证系统，该系统可以采用商业标准化的器件产品，还可以降低系统的成本。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种小型化的量子认证系统，其特征在于：将量子认证光路在三维方向上折叠并采用笼式光路系统，减小光路体积；整体从上往下分为第零层、第一层、第二层、 第三层，共四层，其中：

第零层，用于放置PUF钥匙；

第一层，用于放置产生单光子光束并对单光子光束波前进行调制的光路，对PUF钥匙进行照明的光路；

第二层，用于放置对PUF钥匙成像的光路和认证的解调光路；

第三层，用于放置激光的电源以及空间光调制器的控制电路。

所述第零层设置有一个电控二维平移台，电控二维平移台上放置PUF钥匙，PUF钥匙正下方对应的第零层底部开设有出光口。

所述第一层中，按照激光的传输方向依次放入激光头、反射镜I、物镜、透镜I、衰减片组、的分光棱镜I；激光经过分光棱镜I的透射方向上设置有反射型空间光调制器；激光经过分光棱镜I反射后的方向放置有透镜II和发光二极管，发光二极管位于透镜II的焦点上；与透镜II和发光二极管相对的分光棱镜I的另一侧设置有分光棱镜II，分光棱镜II位于第零层的出光口的正下方，分光棱镜II与第零层的出光口之间设置有透镜IV，透镜IV的焦点处设置PUF钥匙，PUF钥匙位于第零层上端；在激光头的旁边设置反射型空间光调制器的控制盒。其中，分光棱镜I和分光棱镜II均为1：1分光棱镜。

所述第二层中按照光的传输方向依次放置反射镜II、二向色镜，二向色镜的光反射方向上依次设置有透镜III和CCD相机，CCD相机位于透镜III的焦点处，透镜III的焦点和透镜IV的焦点重合组成4F系统；二向色镜透射方向上依次放置透射型空间光调制器、针孔、窄带带通滤光片和光子计数器；二向色镜对发光二极管发出的光反射，对激光头发出的光透射。

所述第三层中放置用于供第一层激光使用的电源以及用于第二层使用的透射型空间光调制器的控制盒。

上述量子认证系统，利用双通道窄带带通滤光片对环境光进行滤波，降低环境光对认证过程的影响，使量子认证系统不必限制于在暗室中使用。

上述量子认证系统，采用发光二极管对PUF钥匙照明，利用4F成像透镜系统对PUF钥匙成像，利用CCD相机采集图像，根据CCD相机图像利用定位程序控制二维移动平移台对PUF钥匙进行精确定位。

上述量子认证系统，可以利用电脑或控制器控制光路在成像光路与注册认证光路之间转换。

所述量子认证系统具体实施时，包括注册和认证两个过程。

（1）在注册和认证的两个实施过程中，初始都需要先对PUF钥匙进行定位，其定位的详细过程为：

首先，激光处于关闭状态，打开发光二极管，打开CCD相机，发光二极管发出的光经透镜II变换为平行光，平行光穿过分光棱镜I后分成两束光，其中一束光经过分光棱镜II向上反射并经透镜IV和双通道窄带带通滤光片后照射到PUF钥匙上；

被PUF钥匙散射的光通过双通道窄带带通滤光片和透镜IV以及分光棱镜II后到达第二层，在第二层被反射镜II反射后通过二向色镜和透镜III后在CCD相机上成像，通过控制电控二维移动平移台的移动使PUF钥匙上的标记位置的在CCD相机上的像出现在指定位置，这样就完成了PUF钥匙的定位过程；

定位完成后关闭发光二极管和CCD相机。

（2）对PUF钥匙定位后，进行注册过程为：

打开激光，此时，发光二极管处于关闭状态，激光头发出的高频脉冲光被反射镜I反射后被物镜和透镜I扩束，然后被衰减片组衰减后照射到反射型空间光调制器上，反射型空间光调制器对光进行编码后反射到分光棱镜I上，通过分光棱镜I和分光棱镜II的反射后通过透镜IV和双通道窄带带通滤光片后照射到PUF钥匙上；

PUF钥匙的背散射光通过双通道窄带带通滤光片和透镜IV以及分光棱镜II后进入第二层，在第二层被反射镜II反射，然后通过二向色镜、透射型空间光调制器、针孔和窄带带通滤光片后进入光子计数器；

透射型空间光调制器将散射光重新聚焦到针孔上，使散射光都通过针孔被光子计数器记录，反射型空间光调制器对光的编码信息和透射型空间光调制器使散射光重新聚焦的解调信息可以匹配为编码-解调信息对，储存所述编码-解调信息对，从而完成对PUF钥匙的注册过程。

（3）对PUF钥匙定位后，进行认证过程为：

打开激光，此时，发光二极管处于关闭状态，激光发出的高频脉冲光被反射镜I反射后被物镜和透镜I扩束，然后被衰减片组衰减后照射到反射型空间光调制器上，反射型空间光调制器在储存的编码-解调信息对中选取编码信息对光进行编码，经过编码的光被反射后依次通过分光棱镜I、分光棱镜II、透镜IV、双通道窄带带通滤光片后照射到PUF钥匙上；

PUF钥匙的背散射光通过双通道窄带带通滤光片和透镜IV以及分光棱镜II后进入第二层，在第二层被反射镜II反射，然后通过二向色镜、透射型空间光调制器、针孔和窄带带通滤光片后进入光子计数器；

透射型空间光调制器选取和反射型空间光调制器匹配的编码-解调信息对中的解调码：如果PUF钥匙是注册的钥匙，那么解调后的光能够被聚焦后完全通过针孔被光子计数器记录；如果PUF钥匙不是注册的钥匙，那么选取的解调码不能将散射光重新聚焦并完全通过针孔被光子计数器记录；从而完成PUF钥匙的认证过程。

本发明的有益效果是：

本发明可以极大的减小量子认证的体积，方便携带；同时，降低了环境光的影响，样品不必放置于暗室中，实用性更强。

附图说明

图1为本发明的结构侧视图。

图2为本发明中第一层结构的俯视图。

图3为本发明中第二层结构的俯视图。

图4为本发明中第三层结构的俯视图。

其中，附图标记为：1为激光头，2为反射镜I，3为物镜，4为透镜I，5为衰减片组，6为分光棱镜I，7为透镜II，8为发光二极管，9为反射型空间光调制器，10为分光棱镜II，11为反射型空间光调制器，12为反射镜II，13为二向色镜，14为透射型空间光调制器，15为针孔，16为光子计数器，17为透镜III，18为CCD相机，19为供第一层激光使用的电源，20为透射型空间光调制器的控制盒，21为透镜IV，22为电控二维平移台，23为PUF钥匙，24为窄带带通滤光片，25为双通道窄带带通滤光片。

具体实施方式

如图1-4所示，一种小型化的量子认证系统，将量子认证光路在三维方向上折叠并采用笼式光路系统，减小光路体积；整体从上往下分为第零层、第一层、第二层、 第三层，共四层，其中：

第零层，用于放置PUF钥匙23；

第一层，用于放置产生单光子光束并对单光子光束波前进行调制的光路，对PUF钥匙23进行照明的光路；

第二层，用于放置对PUF钥匙23成像的光路和认证的解调光路；

第三层，用于放置激光的电源19以及透射型空间光调制器14的控制电路。

所述第零层设置有一个电控二维平移台22，电控二维平移台22上放置PUF钥匙23，PUF钥匙23正下方对应的第零层底部开设有出光口，出光口上镶嵌有双通道窄带带通滤光片25。

所述第一层中，按照激光的传输方向依次放入激光头1、反射镜I 2、物镜3、透镜I4、衰减片组5、1：1的分光棱镜I 6、反射型空间光调制器9、分光棱镜II 10；在分光棱镜I 6的一侧依次设置有透镜II 7和一个发光二极管8，发光二极管8位于透镜II 7的焦点上，在该分光棱镜I 6的正上方放置一个透镜II 10，该透镜II 10位于第零层的出光口的正下方，该透镜II 10的焦点处放置PUF钥匙23；在激光头1的旁边设置反射型空间光调制器9的控制盒11。第一层的尺寸为23*22*5 cm。

所述第二层中按照光的传输方向依次放置反射镜II 12、二向色镜13，二向色镜13的光反射方向侧面依次设置有透镜III 17和CCD相机18，CCD相机18位于该透镜III 17的焦点处；二向色镜13的透射方向侧面依次放置透射型空间光调制器14、针孔15、窄带带通滤光片24和光子计数器16。第二层尺寸为23*22*4 cm。

第三层中放置用于供第一层激光使用的电源19以及用于第二层使用的透射型空间光调制器14的控制盒20。第三层尺寸为23*22*3.5 cm。

根据上述结构实现的量子认证系统，在工作时包括注册和认证两个实施过程。

（1）在两个过程实施开始都需要先对PUF钥匙23进行定位，其定位的详细过程为：关闭激光1，打开发光二极管8，打开CCD相机18，发光二极管8发出的光经透镜II 7变换为平行光，穿过分光棱镜I 6后被分光棱镜II 10向上反射并经透镜21和双通道窄带带通滤光片25后照射到PUF钥匙23上，被PUF钥匙23散射的光通过双通道窄带滤光片25和透镜21以及分光棱镜II 10后到达第二层，在第二层被反射镜II 12反射后通过二向色镜13和透镜III 17后在CCD相机18上成像，通过软件控制电控二维平移台22的移动使PUF钥匙23上的标记位置的在CCD相机18上的像出现在指定位置。这样就完成了PUF钥匙23的定位过程。定位完成后关闭发光二极管8和CCD相机18。

（2）对PUF钥匙23定位后就可以进行注册和认证过程了，注册过程为：关闭发光二极管8，打开激光1，激光1发出的高频脉冲光被反射镜I 2反射后被物镜3和透镜I 4扩束，然后被衰减片组5衰减后照射到反射型空间光调制器9上，反射型空间光调制器9对光进行编码后反射，通过分光棱镜I 6和分光棱镜II 10的反射后通过透镜21和窄带带通双通道滤光片25后照射到PUF钥匙上，PUF钥匙的背散射光通过双通道窄带带通滤光片25、透镜IV 21以及分光棱镜II 10后进入第二层，在第二层被反射镜II 12反射，然后通过二向色镜13、透射型空间光调制器14、针孔15和窄带带通滤光片24后进入光子计数器16。透射型空间光调制器14可以将散射光重新聚焦到针孔15上，使散射光都通过针孔15被光子计数器16记录，反射型空间光调制器9对光的编码信息和透射型空间光调制器14使散射光重新聚焦的解调信息可以匹配为编码-解调信息对，储存这些信息对，这样就完成了对PUF钥匙23的注册过程。

（3）认证时也是先进行PUF钥匙的定位，定位过程和前面的描述一致，定位后进行认证过程，认证过程为：打开激光1，激光1发出的高频脉冲光被反射镜2反射后被物镜3和透镜I 4扩束，然后被衰减片组5衰减后照射到反射型空间光调制器9上，反射型空间光调制器9在储存的编码-解调信息对中选取编码信息对光进行编码，然后被反射通过分光棱镜I 6，再分光棱镜II 10的反射后通过透镜IV 21和双通道窄带带通滤光片25后照射到样品上，PUF钥匙23的背散射光通过双通道窄带带通滤光片25和透镜IV 21以及分光棱镜II 10后进入第二层，在第二层被反射镜II 12反射，然后通过二向色镜13和透射型空间光调制器14以及针孔15和窄带带通滤光片24后进入光子计数器16。透射型空间光调制器14选取和反射型空间光调制器9匹配的编码-解调信息对中的解调码，如果PUF钥匙是注册的钥匙，那么解调后的光能够被聚焦后完全通过针孔15被光子计数器16记录，如果PUF钥匙不是注册的钥匙，那么选取的解调码不能将散射光重新聚焦并完全通过针孔15被光子计数器16记录。这就是PUF钥匙的认证过程。

Claims (5)

1.一种小型化的量子认证系统，其特征在于：整体从上往下分为第零层、第一层、第二层、 第三层，共四层，其中：

第零层，用于放置PUF钥匙（23）；所述第零层设置有一个电控二维平移台（22），电控二维平移台（22）上放置PUF钥匙（23），PUF钥匙（23）正下方对应的第零层底部设有出光口；

第一层，用于放置产生单光子光束并对单光子光束波前进行调制的光路，对PUF钥匙（23）进行照明的光路；所述第一层中，按照激光的传输方向依次放入激光头（1）、反射镜I（2）、物镜（3）、透镜I（4）、衰减片组（5）、分光棱镜I（6），激光经过分光棱镜I（6）的透射方向上设置有反射型空间光调制器（9）；激光经过分光棱镜I（6）反射后的方向放置有透镜II（7）和发光二极管（8），发光二极管（8）位于透镜II（7）的焦点上；与透镜II（7）和发光二极管（8）相对的分光棱镜I（6）的另一侧设置有分光棱镜II（10），分光棱镜II（10）位于第零层的出光口的正下方，分光棱镜II（10）与第零层的出光口之间设置有透镜IV（21），透镜IV（21）的焦点处设置PUF钥匙（23），PUF钥匙（23）位于第零层上端；在激光头（1）的旁边设置反射型空间光调制器（9）的控制盒（11）；其中，分光棱镜I（6）和分光棱镜II（10）均为1：1分光棱镜；

第二层，用于放置对PUF钥匙（23）成像的光路和认证的解调光路；所述第二层中按照光的传输方向依次放置反射镜II（12）、二向色镜（13），二向色镜（13）的光反射方向上依次设置有透镜III（17）和CCD相机（18），CCD相机（18）位于透镜III（17）的焦点处，透镜III（17）的焦点和透镜IV（21）的焦点重合组成4F系统；二向色镜（13）透射方向上依次放置透射型空间光调制器（14）、针孔（15）、窄带带通滤光片（24）和光子计数器（16）；二向色镜（13）对发光二极管（8）发出的光反射，对激光头（1）发出的光透射；

第三层，用于放置激光的电源（19）和透射型空间光调制器（14）的控制电路；所述第三层中放置用于供第一层激光使用的电源（19）以及用于第二层使用的透射型空间光调制器（14）的控制盒（20）。

2.根据权利要求1所述小型化的量子认证系统，其特征在于：所述出光口上镶嵌有双通道窄带带通滤光片（25）。

3.根据权利要求2所述小型化的量子认证系统，其特征在于：所述量子认证系统具体实施时，初始都需要先对PUF钥匙进行定位，定位的详细过程为：

首先，激光处于关闭状态，打开发光二极管（8），打开CCD相机（18），发光二极管（8）发出的光经透镜II（7）变换为平行光，平行光穿过分光棱镜I（6）后分成两束光，其中一束光经过分光棱镜II（10）向上反射并经透镜IV（21）和双通道窄带带通滤光片（25）后照射到PUF钥匙（23）上；

被PUF钥匙（23）散射的光通过双通道窄带带通滤光片（25）和透镜IV（21）以及分光棱镜II（10）后到达第二层，在第二层被反射镜II（12）反射后通过二向色镜（13）和透镜III（17）后在CCD相机（18）上成像，通过控制电控二维平移台（22）的移动使PUF钥匙（23）上的标记位置的在CCD相机（18）上的像出现在指定位置，完成PUF钥匙（23）定位过程；定位完成后关闭发光二极管（8）和CCD相机（18）。

4.根据权利要求3所述小型化的量子认证系统，其特征在于：对PUF钥匙（23）定位后，进行注册过程为：

打开激光，此时，发光二极管（8）处于关闭状态，激光头（1）发出的高频脉冲光被反射镜I（2）反射后被物镜（3）和透镜I（4）扩束，然后被衰减片组（5）衰减后照射到反射型空间光调制器（9）上，反射型空间光调制器（9）对光进行编码后反射到分光棱镜I（6）上，通过分光棱镜I（6）和分光棱镜II（10）的反射后通过透镜IV（21）和双通道窄带带通滤光片（25）后照射到PUF钥匙（23）上；

PUF钥匙（23）的背散射光通过双通道窄带带通滤光片（25）和透镜IV（21）以及分光棱镜II（10）后进入第二层，在第二层被反射镜II（12）反射，然后通过二向色镜（13）、透射型空间光调制器（14）、针孔（15）和窄带带通滤光片（24）后进入光子计数器（16）；

透射型空间光调制器（14）将散射光重新聚焦到针孔（15）上，使散射光都通过针孔（15）被光子计数器（16）记录，反射型空间光调制器（9）对光的编码信息和透射型空间光调制器（14）使散射光重新聚焦的解调信息匹配为编码-解调信息对，储存所述编码-解调信息对，从而完成对PUF钥匙的注册过程。

5.根据权利要求4所述小型化的量子认证系统，其特征在于：对PUF钥匙（23）定位后，进行认证过程为：

打开激光，此时，发光二极管（8）处于关闭状态，激光头（1）发出的高频脉冲光被反射镜I（2）反射后被物镜（3）和透镜I（4）扩束，然后被衰减片组（5）衰减后照射到反射型空间光调制器（9）上，反射型空间光调制器（9）在储存的编码-解调信息对中选取编码信息对光进行编码，经过编码的光被反射后依次通过分光棱镜I（6）、分光棱镜II（10）、透镜IV（21）、双通道窄带带通滤光片（25）后照射到PUF钥匙（23）上；

PUF钥匙（23）的背散射光通过双通道窄带带通滤光片（25）和透镜IV（21）以及分光棱镜II（10）后进入第二层，在第二层被反射镜II（12）反射，然后通过二向色镜（13）和透射型空间光调制器（14）以及针孔（15）和窄带带通滤光片（24）后进入光子计数器（16）；

透射型空间光调制器（14）选取和反射型空间光调制器（9）匹配的编码-解调信息对中的解调码：如果PUF钥匙是注册的钥匙，那么解调后的光能够被聚焦后完全通过针孔（15）被光子计数器记录；如果PUF钥匙不是注册的钥匙，那么选取的解调码不能将散射光重新聚焦并完全通过针孔（15）被光子计数器（16）记录；从而完成PUF钥匙（23）的认证过程。

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