CN108092770A - 量子身份认证方法、计算机、计算机程序、可读存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明属于量子通信技术领域，公开了一种量子身份认证方法、计算机、计算机程序、可读存储介质，双方的二进制身份字符串按照指定规则制备两组粒子序列；Alice发送制备Bell态粒子序列的第一个粒子给Bob，Bob发送制备Bell态粒子序列的第二个粒子给Alice；双方各自对手中粒子进行Bell基测量，测量结果进行二进制表示。在身份认证的过程中，Bell态的传送过程中不需要做任何幺正变换，只需要执行Bell态测量和按位异或运算就可以实现信息的传输。在实际应用中该协议的实现只取决于Bell态的准确制备和Bell态的可靠测量，本协议能够抵御冒充攻击。

Description

量子身份认证方法、计算机、计算机程序、可读存储介质

技术领域

本发明属于量子通信技术领域，尤其涉及一种量子身份认证方法、计算机、计算机程序、可读存储介质。

背景技术

目前，业内常用的现有技术是这样的：

自Bennett和Brassard提出量子密钥分配(QKD)协议(简称“BB84协议”)开辟了量子密码学之后，为了适应各种用途和解决新出现的信息安全问题，提出了大量的量子密码协议，主要包括：量子秘密共享(Quantum Secret Sharing,QSS)、量子安全直接通信(Quantum Secure Direct Communication,QSDC)量子身份认证(Quantum IdentityAuthentication,QIA)等方面的研究。量子通信是量子领域中最重要的应用之一，近些年来已经在理论和实验上都不断取得突破和进展。但是在量子通信网络中，难免会存在非法用户冒充合法用户，破坏量子通信系统的安全性。在量子通信中存在一个假冒合法用户的恶意攻击者与其他用户分发密钥且进行秘密通信，既发送伪造的信息给合法用户或者窃取合法用户的秘密信息。目前量子身份认证方案有以下几类。

目前的量子身份认证方案：比如基于纠缠交换的量子身份认证协议，在协议中多用户可以由一个可信的第三方同时认证，一个基于GHZ态的量子身份认证协议，用户可以由可信第三方同时认证。再比如采用双模压缩真空态和相干态，提出一种基于量子隐形传态的连续变量量子身份认证协议，用新定义的保真度参数有效地验证用户的身份，然后基于量子远程态制备和量子辅助克隆的量子操控技术，设计了量子身份认证协议。这些协议都存在一些缺陷，协议大多引入了可信的第三方和复杂的量子操纵技术。本方案无需引入可信第三方，同样也不需要复杂的量子操纵技术和参数设置。因为可信第三方的引入带来了协议执行过程中的不安全因素，复杂的量子操纵技术和参数设置等问题也加大了量子身份认证协议的执行难度和操作难度。

综上所述，现有技术存在的问题是：

目前的量子身份认证协议很多和经典的身份认证结合，很多借鉴了经典身份认证的模式，引入了可信第三方，不仅如此，目前的实验条件下，量子操纵技术和量子存储也远远没有达到部分量子身份认证协议所要求的技术条件。

解决上述技术问题的难度和意义：

本发明的本协议能够抵御冒充者攻击。协议的执行过程中一方公布或不会造成ID_A和ID_B的泄露，ID_A和ID_B是可以重复使用的。

为了使本发明应用在现有实验条件下，本发明避免了可信第三方的引入、复杂的量子操纵技术以及不成熟的量子存储技术。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种量子身份认证方法、计算机、计算机程序、可读存储介质。

本发明是这样实现的，本发明适用在量子密钥分配协议中或量子安全直接通信中对用户双方做量子身份认证，从而避免量子安全通信的中间人的攻击，也不需要在量子密钥分配的通信信道建立抗干扰信道和采用经典身份认证。这样的设计同样可以应用在传统的身份认证中，比如可以改进经典识别的智能卡系统。不同的智能卡拥有不同的ID，根据不同ID制备不同的Bell态粒子，采用量子身份认证的方式来完成智能卡的身份认证。用量子的测不准定理和量子不可克隆定理保证了认证的无条件安全。

进一步，所述量子身份认证方法具体包括以下步骤：

步骤一，Alice的二进制串身份字符串为Bob的二进制身份字符串为Alice和Bob共享ID_A和ID_B；

步骤二，Alice根据ID_A制备粒子序列Bob根据ID_B制备粒子序列制备的规则是：身份字符串的当前位为00制备粒子处于当前位为01制备粒子处于当前位为10制备|ψ⁺＞，当前位为11制备|ψ^-＞；

步骤三，Alice把所有Bell态的第二个粒子发送给Bob，同时Bob把所有Bell态的第一个粒子发送给Alice。粒子交换后Alice拥有粒子序列Bob拥有粒子序列Alice对进行Bell基测量，对应处于纠缠态，Bob对进行Bell基测量；

步骤四，测量结果进行二进制位表示，表示规则为：用00来表示|φ⁺＞，01表示|φ^-＞，10表示|ψ⁺＞，11表示|ψ^-＞。的二进制表示为的二进制表示为

步骤五，Alice对Bob进行身份认证，通过经典信道通知Bob公布然后验证。若符合该公式则证明是合法者；若Bob对Alice进行身份认证，需要重新经过步骤一到步骤四，Bob通过经典信道通知Alice公布证明是合法者。

进一步，所述步骤五证明是合法者的公式为：

是Alice的二进制身份字符串，是Bob的二进制身份字符串。纠缠交换后Alice拥有粒子序列Bob拥有粒子序列的二进制表示为 的二进制表示为

本发明的另一目的在于提供一种实现所述量子身份认证方法的计算机程序。

本发明的另一目的在于提供一种搭载有所述计算机程序的计算机。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行所述的量子身份认证方法。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：

本发明实施例提供的量子身份认证方法的认证双方的二进制身份字符串按照指定规则制备两组粒子序列。Alice发送制备Bell态粒子序列的第一个粒子给Bob，同样Bob发送制备Bell态粒子序列的第二个粒子给Alice。双方各自对拥有的粒子进行Bell基测量，因为测量同时双方拥有的粒子序列发生纠缠交换，经过纠缠交换后的测量结果进行二进制表示。只需要执行Bell态测量和按位异或运算并且根据公式验证合法者就可以实现双方的身份认证。在整个方案的执行过程中，量子的测不准定理和量子不可克隆定理保证了认证的无条件安全。最后，对该协议也进行了安全性分析，分析表明本协议能够抵御冒充者攻击。协议的执行过程中一方公布或不会造成ID_A和ID_B的泄露，ID_A和ID_B是可以重复使用的。

附图说明

图1是本发明实施例提供的量子身份认证方法流程图。

图2是本发明实施例提供的协议身份认证过程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

目前的量子身份认证协议很多和经典的身份认证结合，很多借鉴了经典身份认证的模式，引入了可信第三方，不仅如此，目前的实验条件下，量子操纵技术和量子存储也远远没有达到部分量子身份认证协议所要求的技术条件。

如图1所示，本发明实施例提供的量子身份认证方法包括以下步骤：

S101：将双方的二进制身份字符串按照指定规则制备两组粒子序列；

S102：Alice发送制备Bell态粒子序列的第一个粒子给Bob，Bob发送制备Bell态粒子序列的第二个粒子给Alice；

S103：双方各自对手中粒子进行Bell基测量，把测量结果进行二进制表示。

下面结合具体实施例对本发明的应用原理作进一步的描述。

1、准备知识

四个Bell态可以表示如下：

如果有两个Bell态都处于|φ⁺＞态，则有下面的等式成立：

如果对粒子1、3进行Bell基测量，粒子2、4就会纠缠在一起。例如，如果对粒子1、3测量结果为|φ⁺＞₁₃(|φ^-＞₁₃，|ψ⁺＞₁₃或|ψ^-＞₁₃)，那么对应粒子2、4的状态为|φ⁺＞₂₄ 或|ψ^-＞₂₄)；

根据这个等式，很容易推导出任意两个Bell态经过纠缠交换都以1/4的概率的处于四种Bell态。如果不考虑其相位，任意两个Bell态的纠缠交换情况如表1所示。

表1任意两个Bell态的纠缠交换

如果用00来表示|φ⁺＞，01表示|φ^-＞，10表示|ψ⁺＞，11表示|ψ^-＞那么纠缠交换前两个Bell态的二进制表示分别为c₁₂和c₃₄，纠缠交换后的两个Bell态粒子的二进制表示分别为c₁₃和c₂₄。由表1可以得出纠缠交换后的两个Bell态分别以1/4的概率处于|φ⁺＞₁₃|φ⁺＞₂₄,以1/4的概率处于|φ^-＞₁₃|φ^-＞₂₄,以1/4的概率处于|ψ⁺＞₁₃|ψ⁺＞₂₄,以1/4的概率处于|ψ^-＞₁₃|ψ^-＞₂₄。如果纠缠交换后的两个Bell态为|φ⁺＞₁₃|φ⁺＞₂₄，那么有其中表示按位异或操作；如果纠缠交换后的两个Bell态为|φ^-＞₁₃|φ-＞₂₄，那么有如果纠缠交换后的两个Bell态为|ψ⁺＞₁₃|ψ⁺＞₂₄，那么有如果纠缠交换后的两个Bell态为|ψ^-＞₁₃|ψ^-＞₂₄，那么有由此可得到的结果等于的结果。关系如公式(3)所示。经推导，任意两个Bell态都存在公式(3)这个关系：

任意两个Bell态纠缠交换对应的二进制关系如表1所示。

表2二进制关系

假设是Alice的二进制身份字符串，是Bob的二进制身份字符串。Alice和Bob共享ID_A和ID_B。Alice根据ID_A制备粒子序列Bob根据ID_B制备粒子序列制备的规则是：如果身份字符串的当前位为00制备粒子处于|φ⁺＞，当前位为01制备粒子处于|φ^-＞，当前位为10制备|ψ⁺＞，当前位为11制备|ψ^-＞。Alice把所有Bell态的第一个粒子发送给Bob，同时Bob把所有Bell态的第二个粒子发送给Alice。Alice对手中粒子进行Bell基测量，此时Bob手中粒子对应处于纠缠态。纠缠交换后Alice拥有粒子序列Bob拥有粒子序列的二进制表示为 的二进制表示为由得到：

若Alice对Bob进行身份认证，只需要通过经典信道通知Bob公布Alice计算进行验证，若符合该公式则证明Bob是合法用户。同理，若Bob对Alice进行身份认证，重新按照规则制备粒子，完成粒子交换等过程后，通过经典信道通知Alice公布即可。该方式实现了身份认证的功能，并且一方用户公布或不会引起双方身份信息的泄露。

2身份认证协议

2.1协议内容

步骤一：Alice的二进制串身份字符串为Bob的二进制身份字符串为Alice和Bob共享ID_A和ID_B。

步骤二：Alice根据ID_A制备粒子序列Bob根据ID_B制备粒子序列制备的规则是：如果身份字符串的当前位为00制备粒子处于当前位为01制备粒子处于当前位为10制备|ψ⁺＞，当前位为11制备|ψ^-＞。图2显示了该协议身份认证过程。

步骤三：Alice把所有Bell态的第二个粒子发送给Bob，同时Bob把所有Bell态的第一个粒子发送给Alice。粒子交换后Alice拥有粒子序列Bob拥有粒子序列Alice对进行Bell基测量，此时对应处于纠缠态，Bob对进行Bell基测量，此时完成纠缠交换。

步骤四：测量结果进行二进制位表示。表示规则为：用00来表示|φ⁺＞，01表示|φ^-＞，10表示|ψ⁺＞，11表示|ψ^-＞。的二进制表示为的二进制表示为

步骤五：假如Alice对Bob进行身份认证。只需要通过经典信道通知Bob公布然后根据公式(4)进行验证。若符合该公式则证明是合法者。若Bob对Alice进行身份认证，需要重新经过步骤一到步骤四，Bob通过经典信道通知Alice公布符合公式(4)则证明是合法者。

2.2协议举例

步骤一：Alice的二进制串身份字符串为ID_A＝11110100，Bob的二进制身份字符串为ID_B＝11100010。Alice和Bob共享ID_A和ID_B。

步骤二：Alice根据ID_A制备粒子序列Bob根据ID_B制备粒子序列制备的规则是：如果身份字符串的当前位为00制备粒子处于|φ⁺＞，当前位为01制备粒子处于|φ^-＞，当前位为10制备|ψ⁺＞，当前位为11制备|ψ^-＞。

步骤三：Alice把所有Bell态的第一个粒子发送给Bob，同时Bob把所有Bell态的第二个粒子发送给Alice。粒子交换后Alice拥有粒子序列Bob拥有粒子序列Alice对进行Bell基测量，此时对应处于纠缠态，Bob对进行Bell基测量，此时完成纠缠交换。Alice拥有粒子序列Bob拥有粒子序列

步骤四：测量结果进行二进制位表示。表示规则为：用00来表示|φ⁺＞，01表示|φ^-＞，10表示|ψ⁺＞，11表示|ψ^-＞。的二进制表示为的二进制表示为

步骤五：假如Alice对Bob进行身份认证。只需要通过经典信道通知Bob公布根据公式(4)验证，符合该公式，证明Bob是合法者。若Bob对Alice进行身份认证，需要重新经过步骤一到步骤四，Bob通过经典信道通知Alice公布符合公式(4)则证明是合法者。

下面接安全性分析对本发明的应用原理作进一步的描述。

1安全性分析

本发明提出的身份认证即可防止非法用户冒充合法用户，又可以保证ID_A和ID_B的安全性。

1.1冒充攻击

Eve在不知道ID_B的情况下冒充Bob进行通信。由于Eve不知道ID_B，Eve随机制备Bell态粒子序列Alice把所有Bell态的第一个粒子发送给Bob，同时Eve把所有Bell态的第一个粒子发送给Alice。粒子交换后，Alice拥有粒子序列Eve拥有粒子序列Alice对进行Bell基测量，同时Eve对进行Bell基测量，此时完成纠缠交换。随后，Alice对测量结果进行二进制表示为Eve对测量结果进行二进制表示为假如Alice对bob进行身份认证，此时Eve公布Alice根据公式(4)进行验证，由于Eve不能通过身份认证。所以Eve在不知道ID_B的情况下，冒充Bob不会通过身份认证。同理Eve冒充Alice也不能通过身份认证。

Eve可以尝试截取/重发进而推测出若Eve截获了者Bob传送的粒子，使得和不能够完成纠缠交换。在Alice和Bob进行身份认证的时候导致公式(4)无法成立，身份认证不能通过。

1.2 ID_A和ID_B的安全性

因为ID_A和ID_B是通信双方在通信之前事先秘密共享的，非法用户不知道ID_A和ID_B。假如Eve想要猜出ID_A或ID_B。设ID_A和ID_B为2n位的二进制串。Eve正确猜出的概率为1/4ⁿ。只要设定的ID_A或ID_B的位数足够长，Eve猜对ID_A或ID_B的概率将趋近于零。这样以来Eve也根本无法通过身份认证。

Eve尝试采取截获/重发攻击来得到ID_A或ID_B。Eve截取Alice发送的粒子，用Z基测量，Eve依然无法推断出Alice制备的粒子序列。而且由于Eve的测量会造成Alice手中粒子的塌缩，使得Alice和Bob制备的两组Bell态粒子序列无法完成纠缠交换。在Alice和Bob进行身份认证的时候导致公式(4)无法成立，身份认证不能通过。同理，Eve采取截获/重发攻击不能得到ID_B，身份认证一样不能通过。

Eve试图通过公布的或得到ID_A和ID_B。在步骤三中和都以1/4的概率随机的处于4种最大混合态{|φ⁺＞,|φ^-＞,|ψ⁺＞,|ψ^-＞}。步骤四中Alice和Bob分别对和进行二进制表示为和在步骤五中由于公布的和都是纠缠交换后四个最大混合态的二进制表示，所以和都以1/4的概率处于{00,01,10,11}，与ID_A和ID_B没有关系。在身份认证的过程中，Eve无法通过一方公布的或推测出ID_A和ID_B的任何信息。因此，在协议的执行过程中，一方公布或不会造成ID_A和ID_B的泄露，ID_A和ID_B是可以重复使用的。

图2是本发明实施例提供的协议身份认证过程示意图。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输。例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘SolidState Disk(SSD))等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种量子身份认证方法，其特征在于，所述量子身份认证方法双方的二进制身份字符串按照指定规则制备两组粒子序列；Alice发送制备Bell态粒子序列的第一个粒子给Bob，Bob发送制备Bell态粒子序列的第二个粒子给Alice；双方各自对手中粒子进行Bell基测量，测量结果进行二进制表示。

2.如权利要求1所述的量子身份认证方法，其特征在于，所述量子身份认证方法具体包括以下步骤：

步骤一，Alice的二进制串身份字符串为Bob的二进制身份字符串为Alice和Bob共享ID_A和ID_B；

步骤二，Alice根据ID_A制备粒子序列Bob根据ID_B制备粒子序列制备的规则是：身份字符串的当前位为00制备粒子处于当前位为01制备粒子处于当前位为10制备|ψ⁺>，当前位为11制备|ψ^->；

步骤三，Alice把所有Bell态的第二个粒子发送给Bob，同时Bob把所有Bell态的第一个粒子发送给Alice；粒子交换后Alice拥有粒子序列Bob拥有粒子序列Alice对进行Bell基测量，对应处于纠缠态，Bob对进行Bell基测量；

步骤四，测量结果进行二进制位表示，表示规则为：用00来表示|φ⁺>，01表示|φ^->，10表示|ψ⁺>，11表示|ψ^->；的二进制表示为 的二进制表示为

步骤五，Alice对Bob进行身份认证，通过经典信道通知Bob公布然后验证，若符合该公式则证明是合法者；若Bob对Alice进行身份认证，需要重新经过步骤一到步骤四，Bob通过经典信道通知Alice公布证明是合法者。

3.如权利要求2所述的量子身份认证方法，其特征在于，所述步骤五中证明是合法者的公式为：

<mrow> <msub> <mi>ID</mi> <mi>A</mi> </msub> <mo>&amp;CirclePlus;</mo> <msub> <mi>ID</mi> <mi>B</mi> </msub> <mo>=</mo> <msup> <msub> <mi>C</mi> <mrow> <msub> <mi>ID</mi> <mi>A</mi> </msub> </mrow> </msub> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> <mo>&amp;CirclePlus;</mo> <msup> <msub> <mi>C</mi> <mrow> <msub> <mi>ID</mi> <mi>B</mi> </msub> </mrow> </msub> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> <mo>;</mo> </mrow>

是Alice的二进制身份字符串，是Bob的二进制身份字符串；纠缠交换后Alice拥有粒子序列Bob拥有粒子序列 的二进制表示为 的二进制表示为

4.一种实现权利要求1～3任意一项所述量子身份认证方法的计算机程序。

5.一种搭载有权利要求4所述计算机程序的计算机。

6.一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行如权利要求1-3任意一项所述的量子身份认证方法。