CN108449179A - 基于偏振和相位同时编码的量子身份认证系统 - Google Patents

基于偏振和相位同时编码的量子身份认证系统 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于偏振和相位同时编码的量子身份认证系统，该系统使用矢量光场生成光路对光的波前同时进行偏振和相位的编码，产生编码的高维量子光，使用这种高维量子光照射光学PUF钥匙获取激励‑响应对，建立激励‑响应对数据库，然后根据数据库信息进行身份认证。本发明可对量子光的偏振和相位同时进行编码，能够更充分的利用光学PUF钥匙中的模式信息，增加了高维量子光被探测的难度，增强了认证的安全性，在安全领域具有极好的应用前景。

Description

基于偏振和相位同时编码的量子身份认证系统
技术领域
本发明涉及身份认证系统，具体涉及一种基于偏振和相位同时编码的量子身份认证系统，属于安全认证技术领域。
背景技术
基于物理不可克隆函数（PUF）的认证系统具有非常好的安全性，在下一代安全认证技术中有广阔的应用前景。Boris Skoric等在光学PUF的基础上提出了使用量子态读出PUF（QR-PUF）的量子认证方法，由于同时使用了量子不可克隆性和PUF的物理不可克隆性，这种量子认证方法将比传统光学PUF具有更高的安全性。S. A. Goorden等在Boris Skoric的工作基础上设计了使用空间光调制器调制相位信息产生高维量子态进行量子认证的方法，这种方法由于只调制了高维量子态的相位信息，没有能够充分利用光学PUF中丰富的与偏振相关的模式信息，因此设计一种能够更充分的利用PUF中模式信息的认证系统很有必要。
发明内容
为了克服现有量子身份认证系统没有充分利用光学PUF钥匙中模式信息的问题，本发明设计了基于偏振和相位同时编码的量子身份认证系统，该系统使用矢量光生成系统对高维量子光进行偏振和相位同时编码的方式照射光学PUF钥匙，能够更充分的利用光学PUF钥匙中的模式信息，提升认证的安全性。
本发明的技术方案如下：
基于偏振和相位同时编码的量子身份认证系统，其特征在于包括：脉冲激光光源和沿脉冲激光光源照射方向依次设置的衰减片组、扩束镜、矢量光场生成系统、分光棱镜，沿分光棱镜的直射光方向放置光学PUF钥匙，沿分光棱镜的折射光方向设置有相机；
所述脉冲激光光源，用于发出光脉冲；
所述衰减片组，用于对光脉冲能量衰减的衰减片组；
所述矢量光场生成系统，用于对弱相干光同时进行相位和偏振编码；
所述相机，用于对散斑成像。
所述量子身份认证系统在实施时，包括注册和认证两个实施过程，其中：
注册时，脉冲激光光源发出的光脉冲经过衰减片组后被衰减，得到弱相干光光束；该弱相干光经过扩束镜后被扩束，扩束后的光经过矢量光生成系统进行偏振和相位的编码；将编码后的光照射到光学PUF钥匙上产生散射，散射光经过分光棱镜反射后照射到相机上，使用相机采集散斑图样；随机改变矢量光生成系统对光的编码方式，并使用相机记录对应的散斑，组成激励-响应对，并存储形成激励-响应对数据库，完成对光学PUF钥匙的注册过程；注册后的光学PUF钥匙分发给用户，用户使用分发的光学PUF钥匙进行身份认证；该注册过程中，充分利用了不同的编码将会得到不同的散斑响应，编码与散斑响应是一一对应的。
用户使用光学PUF钥匙进行认证时，在激励-响应对数据库中随机挑选激励加载到矢量光生成系统上，使用相机采集散斑，将采集到的该散斑与挑选的激励-响应对中的散斑进行对比，如果该散斑与储存的激励-响应对一致，则身份认证通过，如果不一致，则身份认证失败。
所述经过衰减片组衰减后得到的弱相干光中单个脉冲的光子数应远小于矢量光场生成系统中可以独立调节的自由度数目。
在注册过程中，扩束后经过编码后的光是一种高维量子光。
本发明具有如下优点：
1.本发明对光同时进行偏振和相位编码，增加了高维量子光的可调维度，增强了认证激励光的安全性。
2.本发明使用偏正和相位同时编码的高维量子光照射光学PUF钥匙，更加充分的利用了光学PUF钥匙中的模式信息，增加了可采集的激励-响应对数目，增强了认证的安全性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明实施例中基于空间光调制器和4f系统的结构示意图。
其中，附图标记为：1脉冲激光光源，2衰减片组，3扩束镜，4矢量光场生成系统，5分光棱镜，6光学PUF钥匙，7相机，8空间光调制器，9透镜一，10空间滤波器，11透镜二，12光栅，13、14空间滤波器的小孔。
具体实施方式
本发明提供了一种基于振镜扫描成像的量子身份认证系统，结构如图1所示，该基于振镜扫描成像的量子身份认证系统包括：脉冲激光光源1、衰减片组2、扩束镜3、矢量光场生成系统4，1:1的分光棱镜5，相机7。光学PUF钥匙6则放置在分光棱镜5的直射光方向上。
该认证系统包括了注册和认证两个实施过程，注册时脉冲激光光源1发出的光脉冲经过衰减片组2后被衰减，得到弱相干光光束；该弱相干光经过扩束镜3后被扩束，扩束后的光经过矢量光生成系统4进行偏振和相位的编码；将编码后的光照射到光学PUF钥匙6上产生散射，散射光经过分光棱镜5反射后照射到相机7上，使用相机7采集散斑图样。随机改变矢量光生成系统4对光的编码方式，并使用相机7记录对应的散斑，组成激励-响应对，并存储到数据库，这样就完成了对光学PUF钥匙6的注册过程。
注册后的光学PUF钥匙6就可以分发给用户，用户使用分发的光学PUF钥匙6进行身份认证。认证时光路中光的传输过程和标定时一致。用户使用光学PUF钥匙6进行认证时，在激励-响应对数据库中随机挑选激励加载到矢量光生成系统4上，使用相机7采集散斑，将该散斑与挑选的激励-响应对中的散斑进行对比，如果该散斑与储存的激励-响应对一致，则身份认证通过，如果不一致，则身份认证失败。
为使本发明的内容、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例及附图进一步阐述本发明。
实施例
一种采用基于空间光调制器和4f系统的任意矢量光场发生装置作为矢量光生成系统进行振幅和相位编码的认证系统，其结构如图2所示，包括：脉冲激光光源1、衰减片组2、扩束镜3、矢量光场生成系统4，1:1的分光棱镜5，相机7，其中，光学PUF钥匙6放置在沿分光棱镜的直射光方向上。其中，矢量光场生成系统4的具体构成包括：
空间光调制器8，对扩束后的弱相干光进行随机相位编码，并分为两束沿不同方向传播的两束；
两个等焦距的透镜一9和透镜二11，它们同轴共焦，组成4f透镜系统，透镜一9的一个焦点位于空间光调制器8处；
空间滤波器10，设置于透镜一9和透镜二11之间，位于透镜一9的另一焦点处，即透镜一9和透镜二11共有的焦点处；
空间滤波器10上有两个小孔13和14，小孔14上装有半波片或四分之一波片；所述两个小孔13、14用于将通过它们的两束光变为正交的偏振态。
光栅12，用于将两束被调制过的正交偏振光合束与重构，合束后的光即为经过了偏振和相位双重调制的高维量子光。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.基于偏振和相位同时编码的量子身份认证系统，其特征在于包括：脉冲激光光源（1）和沿脉冲激光光源（1）照射方向依次设置的衰减片组（2）、扩束镜（3）、矢量光场生成系统（4）、分光棱镜（5），沿分光棱镜（5）的直射光方向放置光学PUF钥匙（6），沿分光棱镜（5）的折射光方向设置有相机（7）；
所述脉冲激光光源（1），用于发出光脉冲；
所述衰减片组（2），用于对光脉冲能量衰减；
所述矢量光场生成系统（4），用于对弱相干光同时进行相位和偏振编码；
所述相机（7），用于对散斑成像。
2.如权利要求1所述的基于偏振和相位同时编码的量子身份认证系统，其特征在于：所述量子身份认证系统在实施时包括注册和认证两个过程，其中：
注册时，脉冲激光光源（1）发出的光脉冲经过衰减片组（2）后被衰减，得到弱相干光光束；该弱相干光经过扩束镜（3）后被扩束，扩束后的光经过矢量光生成系统（4）进行偏振和相位的编码；将编码后的光照射到光学PUF钥匙（6）上产生散射，散射光经过分光棱镜（5）反射后照射到相机（7）上，使用相机（7）采集散斑图样；通过随机改变矢量光生成系统（4）对光的编码方式，并使用相机（7）记录对应的散斑，组成激励-响应对，并存储形成激励-响应对数据库，完成对光学PUF钥匙（6）的注册过程；注册后的光学PUF钥匙（6）分发给用户，用户使用分发的光学PUF钥匙（6）进行身份认证；
用户使用光学PUF钥匙（6）进行认证时，在激励-响应对数据库中随机挑选激励加载到矢量光生成系统（4）上，光照射到PUF钥匙（6）上产生散斑，使用相机（7）采集散斑，再将采集到的该散斑与挑选的激励-响应对中的散斑进行对比，如果该散斑与储存的激励-响应对一致，则身份认证通过，如果不一致，则身份认证失败。
3.如权利要求1或2所述的基于偏振和相位同时编码的量子身份认证系统，其特征在于：在衰减过程中，经过衰减片组（2）衰减后得到的弱相干光中单个脉冲的光子数远小于矢量光场生成系统（4）独立调节的自由度数目。
4.如权利要求1或2所述的基于偏振和相位同时编码的量子身份认证系统，其特征在于：在注册过程中，扩束后经过编码后的光是一种高维量子光。
5.如权利要求1或2所述的基于偏振和相位同时编码的量子身份认证系统，其特征在于：所述分光棱镜（5）是1:1的分光棱镜。
6.如权利要求1或2所述的基于偏振和相位同时编码的量子身份认证系统，其特征在于，所述矢量光场生成系统（4）的具体构成包括：
空间光调制器（8），用于对扩束后的弱相干光进行随机相位编码，并分为两束沿不同方向传播的两束；
等焦距的透镜一（9）和透镜二（11），组成4f透镜系统，两个透镜同轴共焦；其中透镜一（9）的一个焦点位于空间光调制器（8）处；
空间滤波器（10），设置于透镜一（9）和透镜二（11）之间，位于透镜一（9）的另一焦点处，即透镜一（9）和透镜二（11）共有的焦点处；
光栅（12），用于将两束被调制过的正交偏振光合束与重构，合束后的光即为经过了偏振和相位双重调制的高维量子光。
7.如权利要求6所述的基于偏振和相位同时编码的量子身份认证系统，其特征在于：所述空间滤波器（10）上设置有两个小孔（13、14），其中一个小孔上装有半波片或四分之一波片，所述两个小孔（13、14）用于将通过两束光变为正交的偏振态。
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