CN108880790B - 一种基于量子隐形传态的量子投票系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于量子隐形传态的量子投票系统及方法，包括投票人Alice、投票管理机构CA、监督人Charlie和计票人Bob和四个OADM，其中：所述投票人Alice包括第一量子密钥服务器、投票终端和第一量子态测量装置；所述投票管理机构CA包括第二量子密钥服务器、认证终端、纠缠源和第一Bell态测量装置；所述监督人Charlie包括第三量子密钥服务器、显示终端和第二Bell态测量装置；所述计票人Bob包括第四量子密钥服务器、计算机终端、幺正变换装置和第二量子态测量装置。本发明通过纠缠粒子的相干性、QKD协议、一次一密加密算法和量子信道窃听检测来保证整个投票过程的安全性，另外本发明通过同一根光纤中的不同波长传输经典和量子信息，可大大减少应用的成本，提高实用性。
Description
技术领域
本发明涉及一种量子投票方案，具体涉及一种基于量子隐形传态的量子投票系统及方法。
背景技术
当前，世界各国信息化快速发展，信息技术对政治、经济、社会和文化的影响更为深刻。第一个密码学意义上的电子选举协议是由Chaum提出的，该协议是基于Mix-net，通过公钥密码体制加密信息，该方案加密消息的长度和用户计算量同Mix net server的个数成正比，不适合大群体的选举，并且该协议不能保证投票人的身份不被追踪。之后，Chaum又提出了一种无条件匿名的选举协议，协议主要思想是“Dinning Cryptographers Problem”。在这个协议中，选民的身份是完全保密的，但是不能防止重复投票。
随着攻击者计算能力的不断提高，这些算法或协议将逐渐变得不安全。幸运的是，量子密码学因其能弥补这一缺陷而开始被关注，因为量子密码技术的安全性是基于量子态的物理特性而不是计算复杂性，例如量子密钥分配协议BB84和B92协议被严格证明是无条件安全的。上世纪90年代以来，科学家致力于量子密码的研究，他们力图将量子密码应用于量子计算机和量子保密方案。
2005年，Vaccaro等人提出的量子选举方案中，每个选民通过对代表选票的量子态进行不同的局域操作来表示自己的选票内容，最终所有选民的选择被编码成为同一个纠缠态的相位信息，计票人根据测量结果统计选举结果，该协议可以保证选举的匿名性，但该方案读取选举结果需要进行一次复杂的测量过程。2006年，Dolev等人提出了一种不需要进行复杂的量子测量的选举协议。在他们的方案中，选举结果可以直接由基态读取，而不需要进行复杂测量。这个协议是基于傅立叶变换，一旦傅立叶变换能够有效实施，这个协议就可以顺利实现，但该协议发现不了选民的重复投票问题，一旦某些选民有重复投票等作弊行为，可能会破坏选举。2008年，Okamoto提出了一种不使用量子纠缠的量子选举协议，该协议包含了多个候选人。对每个选民，选举管理系统制备一个未知量子态作为其空白选票。选民对选票加一个随机因子，然后根据自已所选的候选人生成自己的选票。该协议需要在一个半诚实的模式下进行，且提出了一种分布式协议来防止选举管理员伪造选票，但只公布一个最后的选举结果，不具有可验证性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于量子隐形传态的量子投票系统及方法。本发明利用制备相对容易的EPR纠缠对及四粒子纠缠Bell态作为量子信道，在监督人Charlie的监督下，投票人Alice将投票信息盲化，再由投票管理机构CA盲签名后通过量子纠缠信道将信息传到计票人Bob手中。
为了实现上述发明目的，本发明的技术方案实现如下：一种基于量子隐形传态的量子投票系统，包括投票人Alice、投票管理机构CA、监督人Charlie、计票人Bob和4个OADM；其中：
所述投票人Alice包括第一量子密钥服务器、投票终端和第一量子态测量装置，所述第一量子密钥服务器以及第一量子态测量装置的输出端分别与所述投票终端的输入端连接；
所述投票管理机构CA包括第二量子密钥服务器、认证终端、纠缠源和第一Bell态测量装置，所述第二量子密钥服务器以及第一Bell态测量装置的输出端分别与所述认证终端的输入端连接；
所述监督人Charlie包括第三量子密钥服务器、显示终端和第二Bell态测量装置，所述第三量子密钥服务器以及第二Bell态测量装置的输出端分别与所述显示终端的输入端连接；
所述计票人Bob包括第四量子密钥服务器、计算机终端、幺正变换装置和第二量子态测量装置，所述幺正变换装置的输出端与第二量子态测量装置的输入端相连，所述第四量子密钥服务器以及第二量子态测量装置的输出端分别与所述计算机终端的输入端连接；
所述OADM(光分插复用器系统)可以动态选择波长信道，使其他波长信道不受影响的通过，并通过一条光纤连接成环状链路，用于动态的发送和接收所述投票人Alice、所述投票管理机构CA、所述监督人Charlie和所述计票人Bob的经典和量子信号并将信号耦合到光纤中传输到对应的机构中；
所述第一、第二、第三和第四量子密钥服务器均包括密钥存储器和QKD收发机；
4个OADM之间通过光纤以闭环的形式首尾相连，形成环状的经典量子融合信道，其中所述投票人Alice、投票管理机构CA、监督人Charlie和计票人Bob分别连接一个OADM且通过连接OADM而处于经典量子融合信道的节点上，实现任意节点之间的经典和量子信号的传输；
所述投票管理机构CA分别给投票人Alice、监督人Charlie和计票人Bob发放量子身份ID；所述投票管理机构CA、投票人Alice、监督人Charlie和计票人Bob根据投票需求分别通过各自的量子密钥服务器产生量子密钥，并存储于量子各自的密钥存储器中；
所述投票管理机构CA通过所述纠缠源产生n对EPR纠缠粒子对，所述EPR纠缠粒子对包括粒子A和粒子T，并将每对中的粒子T通过经典量子融合信道发送给所述投票人Alice，粒子A保留在所述投票管理机构CA中；
然后所述投票管理机构CA通过纠缠源再产生N组四比特纠缠态，N>n，所述四比特纠缠态包括粒子1、粒子2、粒子3和粒子4，从N组四比特纠缠态中选择n组用于投票过程，其中每一组中将所述粒子2和粒子3发送给所述监督人Charlie，粒子1保留在所述投票管理机构CA中，粒子4发送给所述计票人Bob；
所述投票管理机构CA再给所述投票人Alice随机发放一个投票ID；所述投票人Alice根据持有的n比特经典投票信息选择合适的测量基对手中持有的粒子T进行量子态测量，并将测量结果编码为2n比特经典信息，通过量子密钥加密后发送给所述监督人Charlie，完成对投票信息的盲化过程；所述投票人Alice将投票信息盲化后，所述投票管理机构CA对手中持有的粒子A和粒子1进行Bell态测量，并使用量子密钥对测量结果加密后发送给所述监督人Charlie，完成了对投票信息的盲签名操作；所述监督人Charlie使用相应的量子密钥解密所接收的信息，并在所述投票管理机构CA的授权下完成对手中持有的粒子2和粒子3执行Bell态测量，并将测量结果和原来接收的信息通过量子密钥加密后发送给所述计票人Bob，完成投票信息到所述计票人Bob之间的受控隐形传态过程；所述计票人Bob使用相应的量子密钥解密接收到的信息，并根据所述投票管理机构CA和监督人Charlie的Bell态测量结果对粒子4进行幺正变换操作，使粒子4上重构出原始的投票信息，然后计票人Bob再对粒子4执行量子态测量，并将测量结果编码成2n比特经典信息，计票人Bob再将2n比特经典信息与接收来自所述投票人Alice盲化信息相比较，如果一致，则说明盲签名有效且投票信息没被篡改，从而所述投票人Alice投票有效，接着所述计票人Bob在所述监督人Charlie的监督下按照一定的规则还原出所述投票人Alice原始的n比特经典投票信息，然后所述计票人Bob统计所有的选票，最终将投票结果在所述监督人Charlie处公布出来。
优选地，所述认证终端存有量子身份ID，所述量子身份ID是由所述QKD收发机产生的比特串。
优选地，所述第一和第二量子态测量装置为计算机控制下的偏振控制器或者由偏振片组成的偏振调制结构。
优选地，所述投票终端、认证终端、显示终端和计算机终端均为计算机，用来处理各方交互的信息。
优选地，所述纠缠源是由激光泵浦源和非线性晶体组成的纠缠粒子产生装置，用来产生n对EPR纠缠光子对和N组四比特纠缠粒子态，其中这种粒子的纠缠特性作为量子信道，用来传递投票信息。
优选地，所述投票和盲签名过程是通过纠缠粒子之间的纠缠信道来传递信息。
优选地，所述纠缠源分别产生EPR对和四比特纠缠粒子并分发给对应的机构，所述投票人Alice将投票信息通过所述量子态测量装置编码在纠缠粒子上，利用粒子的纠缠特性作为量子信道，通过所述投票管理机构CA对投票信息盲签名后，在所述监督人Charlie的帮助下，将投票信息通过量子纠缠信道传送到所述计票人Bob处，所述计票人Bob在余下的纠缠粒子上作合适的幺正变换，重构出投票信息并验证签名，最后记录投票结果。
优选地，所述Bell态测量装置由分束器和单光子探测器构成，其中Bell测量操作通过单光子探测器的响应情况来判断两个粒子的关联特性。
优选地，所述幺正变换装置是由单量子比特门U构成的对单个量子比特进行操作的门结构，所述单量子比特门U是2*2的幺正运算符，幺正运算符符合等式条件U+U＝I，其中U+是U的共轭转置，I是2*2单位算子，其中Pauli矩阵是常用的单量子比特门，例如：
当通信双方通过量子纠缠信道传输信息的时候，接收方对手中持有的单个粒子进行相应的幺正变换操作后，即可在该粒子中重构出发送方所要传输的未知量子态。例如，假设Alice持有处于未知态的光子1，并与Bob共享一对EPR纠缠对，他们分别持有其中的光子2和3，其中光子1所处的态是Alice要传送给Bob的量子态，光子1的量子态可以表述为|ψ>1＝α|H>1+β|V>1，光子2和3共同构成一个Bell态，假设Alice对所持有的光子1和光子2做Bell态测量后，Bob所持有的光子3的状态将塌缩至α|H>3-β|V>3，则Bob对光子3进行σz的幺正变换，即：Bob对光子3执行幺正操作后，光子3即重构出了Alice所要传输的光子1的量子态信息。
优选地，所述量子密钥服务器，是指使用量子密钥的节点为接入量子密钥分配网络获取安全密钥的设备，集成了从量子密钥分配网络中获取量子密钥的QKD终端模块，以及密钥存储器，量子密钥实时地直接提供给上层应用，或者暂时存储在服务器的存储单元中，待需要使用时，再从存储单元中调出，实现对突发应用数据的处理。
优选地，所述QKD收发机为基于BB84协议的量子密钥分发装置，所述QKD收发机通过所述经典量子融合信道完成量子生成的密钥可存储在所述密钥存储器中，需要使用密钥的时候可以直接从密钥存储器中直接调用。
具体地，所述投票人Alice和监督人Charlie共享量子密钥时，所述量子密钥服务器启动QKD收发机，所述QKD收发机基于BB84协议完成量子密钥分发，整个过程完成了密钥的筛选，误码率分析，密性放大等后处理操作，最后得到最终密钥KA，CA，同样可以得到所述监督人Charlie和计票人Bob之间的密钥KBC，最后所述量子密钥服务器将生成的量子密钥存储在所述密钥存储器中，需要用到的时候再从中取出来。
优选地，所述投票管理机构CA负责给所述投票人Alice、监督人Charlie和计票人Bob发放量子身份ID以及纠缠粒子，并且进行投票登记和向所述投票人Alice随机发放投票ID，以及进行对投票信息的盲签名操作。所述量子身份ID为投票管理机构CA与其他三方共享的量子密钥串，其存储在密钥存储器中，用于投票人员身份的比对校验；所述投票管理机构CA对合法的所述投票人Alice进行投票登记，并随机给所述投票人Alice发放投票ID，所述投票ID只有所述投票人Alice一人知道。
其中，所述投票管理机构CA通过所述纠缠源分别产生n对RPR纠缠对和N组四比特纠缠态，并将相应的粒子通过经典量子融合信道传递给其他三方，这里用粒子A和粒子粒子T来表示EPR对，粒子1、2、3和4来区分四比特纠缠态。
具体地，所述投票管理机构CA产生EPR对，假设其Bell态为：
粒子A和粒子T为正关联，所述投票管理机构CA将粒子A通过经典量子融合信道发送给所述投票人Alice，粒子T则保留在投票管理机构CA中；接下来所述投票管理机构CA产生四比特纠缠态，其假设表现形式为：
所述投票管理机构CA通过经典量子纠缠信道将粒子2和粒子3发送给所述监督人Charlie，粒子4发送给Bob，粒子1保留在投票管理机构CA中。
优选地，所述监督人Charlie安排信道窃听检测，所述监督人Charlie在粒子2和粒子3序列中随机选择N-n个粒子并记录下他们的位置，之后对它们分别进行二粒子{|HH>,|HV>,|VH>,VV}基测量，所述监督人Charlie公开粒子2和粒子3的测量结果及位置，所述投票管理机构CA和计票人Bob依据所述监督人Charlie公开的测量结果和位置分布对粒子1和粒子4进行{|H>,|V>}基测量，之后也分布公开测量结果，如果他们的测量结果满足一定的关系，错误率小于设定的阈值δ，则认为信道是安全的，不存在窃听攻击。
优选地，所述投票人Alice进行投票操作，所述投票人Alice持有n比特的投票信息m(包括量子身份ID和投票内容等)，其根据持有的n比经典信息m来选择对应的测量基对粒子进行量子态测量，当m＝0时，选择测量基{|H＞,|V>}对粒子进行量子态测量，当m＝1时，选择测量基{|+>,|->}对粒子进行量子态测量，记录测量结果，并将测量结果编码为两比特经典信息，即，如果测量结果为水平偏振态|H>，则编码为“00”；如果测量结果为竖直偏振态|V>，则编码为“01”；如果测量结果为45度偏振态|+>，则编码为“10”，；如果测量结果为135度偏振态|->，则编码为“11”，编码后的信息变为2n比特的信息m″，所述投票人Alice从所述量子密钥服务器中取出密钥KAC将信息m”加密后通过经典量子融合信道发送给所述监督人Charlie，再通知所述投票管理机构CA对其投票操作进行处理，最终完成投票和信息盲化操作。
优选地，所述投票管理机构CA在投票人Alice完成投票操作后随即进行信息盲签名过程，所述投票管理机构CA对粒子T和粒子1执行Bell态测量过程，记录测量结果MCA，并将测量结果通过密钥KCA，C加密后通过经典量子融合信道发送给所述监督人Charlie，由于所述投票管理机构CA不知道粒子T的状态，也就无法知晓所述投票人Alice的投票信息，所以投票管理机构CA执行的Bell态测量是一个盲签名的过程。
优选地，所述监督人Charlie分别用密钥KAC和KCA，C解密收到的信息m”和所述投票管理机构CA测量结果MCA，然后所述监督人Charlie验证信息是否由所述投票管理机构CA签名，验证成功后监所述督人Charlie完成信息的隐形传态过程，即所述监督人Charlie对手中的粒子3和粒子4执行Bell态测量，记录测量结果MC，最后将m”、MCA和MC用密钥KBC加密后通过经典量子融合信道发送给所述计票人Bob。
优选地，所述计票人Bob使用密钥KBC解密接收到的信息，并根据所述投票管理机构CA和监督人Charlie的Bell态测量结果MCA以及MC对粒子4进行幺正变换操作，使粒子4重构出所述投票人Alice的投票信息，随后所述计票人Bob选择合适的测量基测量粒子4，所述计票人Bob将测量结果编码为2n比特的信息x，若x＝m”则盲签名有效，所述投票人Alice投票成功，接着所述计票人Bob根据信息m”按一定的规则还原出所述投票人Alice的原始投票信息m，即信息m”奇数位比特信息为原始的所述投票人Alice所持有的投票信息m，投票信息m提取出来后，所述计票人Bob在所述监督人Charlie的监督下统计合法的选票，并记录投票人数，最后将最终的投票结果发送到监督人Charlie的公告栏上进行公示；
一种基于量子隐形传态的量子投票方法，该方法应用于上述的一种基于量子隐形传态的量子投票系统中，该方法包括以下步骤：
S1.初始阶段：投票管理机构CA分别与每个合法投票人Alice、监督人Charlie和计票人Bob通过各自的QKD进行量子密钥分发，产生的量子密钥串作为各方的量子身份ID，所述投票管理机构CA将各个机构的量子ID存储在各自的密钥存储器中，所述投票人Alice持有n比特的投票信息m；
S2.量子密钥分发：所述投票人Alice和投票管理机构CA同所述监督人Charlie进行量子密钥分发，而所述监督人Charlie又同所述计票人Bob进行量子密钥分发，通过基于BB84协议的QKD系统分别产生密钥KAC、KCA，C和密钥KBC，并将密钥存入各自的密钥存储器中；
S3.所述投票管理机构CA通过纠缠源分别产生n对EPR粒子A和T，其中粒子A通过经典量子融合信道传送至所述投票人Alice处，粒子T保留在所述投票管理机构CA中，接下来投票管理机构又通过纠缠源产生N对四比特纠缠粒子1、2、3和4，其中将粒子2和3通过所述经典量子融合信道发送给监督人Charlie，粒子4传送至计票人Bob处，剩下的粒子1保留在所述投票管理机构CA中；
S4.量子信道窃听检测：所述监督人Charlie安排信道窃听检测，所述监督人Charlie在粒子2和粒子3序列中随机选择N-n个粒子并记录下他们的位置，之后对它们分别进行二粒子{|HH>,|HV>,|VH>,VV}基测量，所述监督人Charlie公开粒子2和粒子3的测量结果及位置，所述投票管理机构CA和计票人Bob依据所述监督人Charlie公开的测量结果和位置分布对粒子1和粒子4进行{|H>,|V>}基测量，之后也分布公开测量结果，如果他们的测量结果满足一定的关系，错误率小于设定的阈值δ，则认为信道是安全的，不存在窃听攻击；
S5.注册阶段：所述投票人Alice、监督人Charlie和计票人Bob将身份信息量子ID发送给所述投票管理结果CA，然后所述投票管理机构CA通过密钥存储器中存储的量子ID来判断各方的量子ID是否合格，同时判断所述投票人Alice是否是第一次投票，如果不满足条件，则所述投票管理结果CA拒绝进入投票阶段；如果满足条件，所述投票管理机构CA将随机发送一个唯一的选票ID给所述投票人Alice，意味着所述投票人Alice注册成功；
S6.投票阶段：所述投票人Alice根据手中的n比特投票信息m来选择对应的测量基按顺序测量手中的粒子A的状态，测量完后Alice记录测量结果，随后所述投票人Alice将测量结果编码为2n比特信息m”，随后所述投票人Alice通知所述投票管理机构CA处理其投票信息，同时Alice将信息m”用密钥KAC加密后发送给监督人Charlie；
S7.签名阶段：所述投票管理机构CA通过Bell态测量装置对粒子T和粒子1进行Bell态测量，并且记录测量结果MCA，随后将测量结果MCA用密钥KCA，C发送给所述监督人Charlie；
S8.所述监督人Charlie收到来自所述投票人Alice和投票管理机构CA加密的信息后，再使用相应存储的密钥解密信息进而得到信息m”和MCA，所述监督人Charlie验证信息是否由所述投票管理机构CA签名，如果签名不合法，则要求所述投票管理机构CA执行签名；如果验证成功，则所述监督人Charlie对粒子2和3执行Bell态测量，记录测量结果MC，随后将测量结果MC以及信息m”和MCA用密钥KBC加密后发送给计票人Bob；
S9.所述计票人Bob收到所述监督人Charlie加密的信息后，使用密钥KBC解密信息得到信息MC、m”和MCA，所述计票人Bob根据测量结果MC和MCA对粒子4执行幺正变换，使粒子4重构出所述投票人Alice的投票信息，随后所述计票人Bob选择合适的测量基测量粒子4，所述计票人Bob将测量结果编码为2n比特的信息x，若x＝m”则签名有效，Alice投票成功；
S10.所述计票人Bob根据信息m”按一定的规则还原出所述投票人Alice的原始投票信息m，即信息m”奇数位比特信息为原始的所述投票人Alice所持有的投票信息，随后所述计票人Bob在所述监督人Charlie的监督下统计合法的选票，并记录投票人数，最后将最终的投票结果发送到所述监督人Charlie的公告栏上进行公示。
本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1.投票管理机构CA通过授权和盲签名技术确保了投票人Alice身份的合法性以及投票信息的安全性。
2.投票的匿名性保证了只有投票人自身知道其投票信息以及投票管理机构CA随机分发给投票人Alice的投票ID可以防止其不被追踪。
3.投票过程采用Bell态测量的方式实现量子隐形传态，操作简单，可以防计票人Bob篡改投票管理机构CA和监督人Charlie的测量结果。
4.每个合法投票人Alice都有唯一的随机分发的投票ID作为身份标识，可以防止投票人重复投票的行为。
5.计票人Bob需依靠监督人Charlie才能打开并统计选票，监督人Charlie的存在可以制约计票人Bob的权利，保证投票过程的公正性。
6.投票信息的传递过程采用QKD一次一密的加密方式保证了整个投票过程的无条件安全性。
附图说明
图1为本发明的量子投票信息转换原理图；
图2为本发明的量子盲签名投票过程图；
图3为本发明的方案示意图；
图4为本发明的工作流程图。
具体实施方式
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
参考附图3所示，一种基于量子隐形传态的量子投票系统，包括投票人Alice、投票管理机构CA、监督人Charlie、计票人Bob和4个OADM；其中：
所述投票人Alice包括第一量子密钥服务器、投票终端和第一量子态测量装置，所述第一量子密钥服务器以及第一量子态测量装置的输出端分别与所述投票终端的输入端连接；
所述投票管理机构CA包括第二量子密钥服务器、认证终端、纠缠源和第一Bell态测量装置，所述第二量子密钥服务器以及第一Bell态测量装置的输出端分别与所述认证终端的输入端连接；
所述监督人Charlie包括第三量子密钥服务器、显示终端和第二Bell态测量装置，所述第三量子密钥服务器以及第二Bell态测量装置的输出端分别与所述显示终端的输入端连接；
所述计票人Bob包括第四量子密钥服务器、计算机终端、幺正变换装置和第二量子态测量装置，所述幺正变换装置的输出端与第二量子态测量装置的输入端相连，所述第四量子密钥服务器以及第二量子态测量装置的输出端分别与所述计算机终端的输入端连接；
所述OADM(光分插复用器系统)可以动态选择波长信道，使其他波长信道不受影响的通过，并通过一条光纤连接成环状链路，用于动态的发送和接收所述投票人Alice、所述投票管理机构CA、所述监督人Charlie和所述计票人Bob的经典和量子信号并将信号耦合到光纤中传输到对应的机构中；
所述第一、第二、第三和第四量子密钥服务器均包括密钥存储器和QKD收发机；
4个OADM之间通过光纤以闭环的形式首尾相连，形成环状的经典量子融合信道，其中所述投票人Alice、投票管理机构CA、监督人Charlie和计票人Bob分别连接一个OADM且通过连接OADM而处于经典量子融合信道的节点上，实现任意节点之间的经典和量子信号的传输；
所述第一、第二、第三和第四量子密钥服务器在附图中统称为量子密钥服务器，所述第一Bell态测量装置和第二Bell态测量装置在附图中统称为Bell态测量装置，所述第一量子态测量装置和第二量子态测量装置在附图中统称为量子态测量装置。
参照附图1所示，为本方明基于量子纠缠信道的投票信息传递过程图，其中包含了所述投票人Alice的量子态测量、所述投票管理机构和监督人Charlie的Bell态测量以及所述计票人Bob的幺正变换过程。所述量子态测量装置为计算机控制下的偏振控制器或者由偏振片组成的偏振调制结构；所述Bell态测量装置由分束器和单光子探测器构成，其中Bell测量操作通过单光子探测器的响应情况来判断两个粒子的关联特性；所述幺正变换装置是由单量子比特门U构成的对单个量子比特进行操作的门结构；所述经典量子融合信道为光纤链路。
具体地，参照附图1所示说明信息的传递过程，首先纠缠粒子通过经典量子融合信道发送到各个机构手中，首先所述投票人Alice根据投票信息对粒子A执行量子态测量，因为粒子A和粒子T是处于正关联纠缠态，所以当粒子A测量一瞬间粒子T就塌缩到了和粒子A一样的状态中，相应的粒子T的状态对应着投票信息，接着所述投票管理机构CA对粒子T和粒子1执行Bell态测量，粒子T的状态相应的被转移到了四比特纠缠态中，如果要使粒子T的状态转移到所述计票人Bob手中的粒子4中，也就是使投票信息在所述计票人Bob手中重构出来，那么就要通过所述监督人Charlie执行一次Bell态测量，在所述监督人Charlie的帮助下将粒子T的状态转移到粒子4中，当所述监督人Charlie执行完Bell态测量后，所述计票人Bob根据所述投票管理机构CA和监督人Bob的Bell测量结果再选择对应的幺正变换操作使粒子4重构出所述投票人Alice的投票信息，最终完成投票信息的量子隐形传态过程。
参照附图2所示为本发明的量子投票过程图，所述投票人Alice完成投票及信息的盲化操作，所述投票人管理机构CA完成身份认证和对盲信息的签名过程，所述监督人Charlie负责完成投票信息到计票人Bob之间的隐形传态及监督整个投票和计票过程，所述计票人Bob完成验证签名及核实投票信息和计票过程；
具体地，参照附图2所示说明量子投票的过程，所述投票人Alice通过量子态测量，将信息编码在量子态上，对信息进行盲化，所述投票管理机构CA对粒子执行bell态测量完成签名操作，所述监督人Charlie对粒子执行Bell态测量完成信息的传递，并监督所述计票人Bob完成计票过程。
下面参考附图3描述量子投票的整个过程：
所述投票管理机构CA分别给投票人Alice、监督人Charlie和计票人Bob发放量子身份ID；所述投票管理机构CA、投票人Alice、监督人Charlie和计票人Bob根据投票需求分别通过各自的量子密钥服务器产生量子密钥，并存储于量子各自的密钥存储器中；
所述投票管理机构CA通过所述纠缠源产生n对EPR纠缠粒子对，所述EPR纠缠粒子对包括粒子A和粒子T，并将每对中的粒子T通过经典量子融合信道发送给所述投票人Alice，粒子A保留在所述投票管理机构CA中；
然后所述投票管理机构CA通过纠缠源再产生N组四比特纠缠态，N>n，所述四比特纠缠态包括粒子1、粒子2、粒子3和粒子4，从N组四比特纠缠态中选择n组用于投票过程，其中每一组中将所述粒子2和粒子3发送给所述监督人Charlie，粒子1保留在所述投票管理机构CA中，粒子4发送给所述计票人Bob；
所述投票管理机构CA再给所述投票人Alice随机发放一个投票ID；所述投票人Alice根据持有的n比特经典投票信息选择合适的测量基对手中持有的粒子T进行量子态测量，并将测量结果编码为2n比特经典信息，通过量子密钥加密后发送给所述监督人Charlie，完成对投票信息的盲化过程；所述投票人Alice将投票信息盲化后，所述投票管理机构CA对手中持有的粒子A和粒子1进行Bell态测量，并使用量子密钥对测量结果加密后发送给所述监督人Charlie，完成了对投票信息的盲签名操作；所述监督人Charlie使用相应的量子密钥解密所接收的信息，并在所述投票管理机构CA的授权下完成对手中持有的粒子2和粒子3执行Bell态测量，并将测量结果和原来接收的信息通过量子密钥加密后发送给所述计票人Bob，完成投票信息到所述计票人Bob之间的受控隐形传态过程；所述计票人Bob使用相应的量子密钥解密接收到的信息，并根据所述投票管理机构CA和监督人Charlie的Bell态测量结果对粒子4进行幺正变换操作，使粒子4上重构出原始的投票信息，然后计票人Bob再对粒子4执行量子态测量，并将测量结果编码成2n比特经典信息，计票人Bob再将2n比特经典信息与接收来自所述投票人Alice盲化信息相比较，如果一致，则说明盲签名有效且投票信息没被篡改，从而所述投票人Alice投票有效，接着所述计票人Bob在所述监督人Charlie的监督下按照一定的规则还原出所述投票人Alice原始的n比特经典投票信息m，即信息m”奇数位比特信息为原始的所述投票人Alice所持有的投票信息，然后所述计票人Bob统计所有的选票，最终将投票结果在所述监督人Charlie处公布出来。
参照附图4所示，一种基于量子隐形传态的量子投票方法，应用于上述的一种基于量子隐形传态的量子投票系统中。其包括以下步骤：
S1.初始阶段：投票管理机构CA分别与每个合法投票人Alice、监督人Charlie和计票人Bob通过各自的QKD进行量子密钥分发，产生的量子密钥串作为各方的量子身份ID，所述投票管理机构CA将各个机构的量子ID存储在各自的密钥存储器中，所述投票人Alice持有n比特的投票信息m；
S2.量子密钥分发：所述投票人Alice和投票管理机构CA同所述监督人Charlie进行量子密钥分发，而所述监督人Charlie又同所述计票人Bob进行量子密钥分发，通过基于BB84协议的QKD系统分别产生密钥KAC、KCA，C和密钥KBC，并将密钥存入各自的密钥存储器中；
S3.所述投票管理机构CA通过纠缠源分别产生n对EPR粒子A和T，其中粒子A通过经典量子融合信道传送至所述投票人Alice处，粒子T保留在所述投票管理机构CA中，接下来投票管理机构又通过纠缠源产生N对四比特纠缠粒子1、2、3和4，其中将粒子2和3通过所述经典量子融合信道发送给监督人Charlie，粒子4传送至计票人Bob处，剩下的粒子1保留在所述投票管理机构CA中；
S4.量子信道窃听检测(非可信操作检测)：所述监督人Charlie安排信道窃听检测，所述监督人Charlie在粒子2和粒子3序列中随机选择N-n个粒子并记录下他们的位置，之后对它们分别进行二粒子{|HH>,|HV>,|VH>,VV}基测量，所述监督人Charlie公开粒子2和粒子3的测量结果及位置，所述投票管理机构CA和计票人Bob依据所述监督人Charlie公开的测量结果和位置分布对粒子1和粒子4进行{|H>,|V>}基测量，之后也分布公开测量结果，如果他们的测量结果满足一定的关系，错误率小于设定的阈值δ，则认为信道是安全的，不存在窃听攻击；
S5.注册阶段：所述投票人Alice、监督人Charlie和计票人Bob将身份信息量子ID发送给所述投票管理结果CA，然后所述投票管理机构CA通过密钥存储器中存储的量子ID来判断各方的量子ID是否合格，同时判断所述投票人Alice是否是第一次投票，如果不满足条件，则所述投票管理结果CA拒绝进入投票阶段；如果满足条件，所述投票管理机构CA将随机发送一个唯一的选票ID给所述投票人Alice，意味着所述投票人Alice注册成功；
S6.投票阶段：所述投票人Alice根据手中的n比特投票信息m来选择对应的测量基按顺序测量手中的粒子A的状态，测量完后Alice记录测量结果，随后所述投票人Alice将测量结果编码为2n比特信息m”，随后所述投票人Alice通知所述投票管理机构CA处理其投票信息，同时Alice将信息m”用密钥KAC加密后发送给监督人Charlie；
S7.签名阶段：所述投票管理机构CA通过Bell态测量装置对粒子T和粒子1进行Bell态测量，并且记录测量结果MCA，随后将测量结果MCA用密钥KCA，C发送给所述监督人Charlie；
S8.所述监督人Charlie收到来自所述投票人Alice和投票管理机构CA加密的信息后，再使用相应存储的密钥解密信息进而得到信息m”和MCA，所述监督人Charlie验证信息是否由所述投票管理机构CA签名，如果签名不合法，则要求所述投票管理机构CA执行签名；如果验证成功，则所述监督人Charlie对粒子2和3执行Bell态测量，记录测量结果MC，随后将测量结果MC以及信息m”和MCA用密钥KBC加密后发送给计票人Bob；
S9.所述计票人Bob收到所述监督人Charlie加密的信息后，使用密钥KBC解密信息得到信息MC、m”和MCA，所述计票人Bob根据测量结果MC和MCA对粒子4执行幺正变换，使粒子4重构出所述投票人Alice的投票信息，随后所述计票人Bob选择合适的测量基测量粒子4，所述计票人Bob将测量结果编码为2n比特的信息x，若x＝m”则签名有效，Alice投票成功；
S10.所述计票人Bob根据信息m”按一定的规则还原出所述投票人Alice的原始投票信息m，即信息m”奇数位比特信息为原始的所述投票人Alice所持有的投票信息，随后所述计票人Bob在所述监督人Charlie的监督下统计合法的选票，并记录投票人数，最后将最终的投票结果发送到所述监督人Charlie的公告栏上进行公示。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何在本申请揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。
Claims (9)
1.一种基于量子隐形传态的量子投票系统，其特征在于，包括投票人Alice、投票管理机构CA、监督人Charlie、计票人Bob和4个OADM；其中：
所述投票人Alice包括第一量子密钥服务器、投票终端和第一量子态测量装置，所述第一量子密钥服务器以及第一量子态测量装置的输出端分别与所述投票终端的输入端连接；
所述投票管理机构CA包括第二量子密钥服务器、认证终端、纠缠源和第一Bell态测量装置，所述第二量子密钥服务器以及第一Bell态测量装置的输出端分别与所述认证终端的输入端连接；
所述监督人Charlie包括第三量子密钥服务器、显示终端和第二Bell态测量装置，所述第三量子密钥服务器以及第二Bell态测量装置的输出端分别与所述显示终端的输入端连接；
所述计票人Bob包括第四量子密钥服务器、计算机终端、幺正变换装置和第二量子态测量装置，所述幺正变换装置的输出端与第二量子态测量装置的输入端相连，所述第四量子密钥服务器以及第二量子态测量装置的输出端分别与所述计算机终端的输入端连接；
所述第一、第二、第三和第四量子密钥服务器均包括密钥存储器和QKD收发机；
4个OADM之间通过光纤以闭环的形式首尾相连，形成环状的经典量子融合信道，其中所述投票人Alice、投票管理机构CA、监督人Charlie和计票人Bob分别连接一个OADM且通过连接OADM而处于经典量子融合信道的节点上，实现任意节点之间的经典和量子信号的传输；
所述投票管理机构CA分别给投票人Alice、监督人Charlie和计票人Bob发放量子身份ID；所述投票管理机构CA、投票人Alice、监督人Charlie和计票人Bob根据投票需求分别通过各自的量子密钥服务器产生量子密钥，并存储于量子各自的密钥存储器中；
所述投票管理机构CA通过所述纠缠源产生n对EPR纠缠粒子对，所述EPR纠缠粒子对包括粒子A和粒子T，并将每对中的粒子T通过经典量子融合信道发送给所述投票人Alice，粒子A保留在所述投票管理机构CA中；
然后所述投票管理机构CA通过纠缠源再产生N组四比特纠缠态，N>n，所述四比特纠缠态包括粒子1、粒子2、粒子3和粒子4，从N组四比特纠缠态中选择n组用于投票过程，其中每一组中将所述粒子2和粒子3发送给所述监督人Charlie，粒子1保留在所述投票管理机构CA中，粒子4发送给所述计票人Bob；
所述投票管理机构CA再给所述投票人Alice随机发放一个投票ID；所述投票人Alice根据持有的n比特经典投票信息选择合适的测量基对手中持有的粒子T进行量子态测量，并将测量结果编码为2n比特经典信息，通过量子密钥加密后发送给所述监督人Charlie，完成对投票信息的盲化过程；所述投票人Alice将投票信息盲化后，所述投票管理机构CA对手中持有的粒子A和粒子1进行Bell态测量，并使用量子密钥对测量结果加密后发送给所述监督人Charlie，完成了对投票信息的盲签名操作；所述监督人Charlie使用相应的量子密钥解密所接收的信息，并在所述投票管理机构CA的授权下完成对手中持有的粒子2和粒子3执行Bell态测量，并将测量结果和原来接收的信息通过量子密钥加密后发送给所述计票人Bob，完成投票信息到所述计票人Bob之间的受控隐形传态过程；所述计票人Bob使用相应的量子密钥解密接收到的信息，并根据所述投票管理机构CA和监督人Charlie的Bell态测量结果对粒子4进行幺正变换操作，使粒子4上重构出原始的投票信息，然后计票人Bob再对粒子4执行量子态测量，并将测量结果编码成2n比特经典信息，计票人Bob再将2n比特经典信息与接收来自所述投票人Alice盲化信息相比较，如果一致，则说明盲签名有效且投票信息没被篡改，从而所述投票人Alice投票有效，接着所述计票人Bob在所述监督人Charlie的监督下按照一定的规则还原出所述投票人Alice原始的n比特经典投票信息，然后所述计票人Bob统计所有的选票，最终将投票结果在所述监督人Charlie处公布出来。
2.如权利要求1所述的一种基于量子隐形传态的量子投票系统，其特征在于，所述第一和第二量子态测量装置为计算机控制下的偏振控制器或者由偏振片组成的偏振调制结构。
3.如权利要求1所述的一种基于量子隐形传态的量子投票系统，其特征在于，所述QKD收发机为基于BB84协议的量子密钥分发装置，所述QKD收发机通过所述经典量子融合信道完成量子密钥分发过程，生成的密钥可存储在所述密钥存储器中，需要使用密钥的时候可以直接从密钥存储器中直接调用。
4.如权利要求1所述的一种基于量子隐形传态的量子投票系统，其特征在于，所述认证终端存有量子身份ID，所述量子身份ID是由所述QKD收发机产生的密钥比特串。
5.如权利要求1所述的一种基于量子隐形传态的量子投票系统，其特征在于，所述投票终端、认证终端、显示终端和计算机终端均为计算机，用来处理各方交互的信息。
6.如权利要求1所述的一种基于量子隐形传态的量子投票系统，其特征在于，所述Bell态测量装置由分束器和单光子探测器构成。
7.如权利要求1所述的一种基于量子隐形传态的量子投票系统，其特征在于，所述幺正变换装置是由单量子比特门U构成的对单个量子比特进行操作的门结构，所述单量子比特门U是2*2的幺正运算符，所述幺正运算符符合等式条件U+U＝I，其中U+是U的共轭转置。
8.如权利要求1所述的一种基于量子隐形传态的量子投票系统，其特征在于，所述投票和盲签名过程是通过纠缠粒子之间的纠缠信道来传递信息。
9.一种基于量子隐形传态的量子投票方法，其特征在于，该方法应用于如权利要求1-8任意一项所述的一种基于量子隐形传态的量子投票系统中，该方法包括以下步骤：
S1.初始阶段：投票管理机构CA分别与每个合法投票人Alice、监督人Charlie和计票人Bob通过各自的QKD进行量子密钥分发，产生的量子密钥串作为各方的量子身份ID，所述投票管理机构CA将各个机构的量子ID存储在各自的密钥存储器中，所述投票人Alice持有n比特的投票信息m；
S2.量子密钥分发：所述投票人Alice和投票管理机构CA同所述监督人Charlie进行量子密钥分发，而所述监督人Charlie又同所述计票人Bob进行量子密钥分发，通过基于BB84协议的QKD系统分别产生密钥KAC、KCA，C和密钥KBC，并将密钥存入各自的密钥存储器中；
S3.所述投票管理机构CA通过纠缠源分别产生n对EPR粒子A和T，其中粒子A通过经典量子融合信道传送至所述投票人Alice处，粒子T保留在所述投票管理机构CA中，接下来投票管理机构又通过纠缠源产生N对四比特纠缠粒子1、2、3和4，其中将粒子2和3通过所述经典量子融合信道发送给监督人Charlie，粒子4传送至计票人Bob处，剩下的粒子1保留在所述投票管理机构CA中；
S4.量子信道窃听检测：所述监督人Charlie安排信道窃听检测，所述监督人Charlie在粒子2和粒子3序列中随机选择N-n个粒子并记录下他们的位置，之后对它们分别进行二粒子{HH>,|HV>,|VH>,VV}基测量，所述监督人Charlie公开粒子2和粒子3的测量结果及位置，所述投票管理机构CA和计票人Bob依据所述监督人Charlie公开的测量结果和位置分布对粒子1和粒子4进行{H>,|V>}基测量，之后也分布公开测量结果，如果他们的测量结果满足一定的关系，错误率小于设定的阈值δ，则认为信道是安全的，不存在窃听攻击；
S5.注册阶段：所述投票人Alice、监督人Charlie和计票人Bob将身份信息量子ID发送给所述投票管理结果CA，然后所述投票管理机构CA通过密钥存储器中存储的量子ID来判断各方的量子ID是否合格，同时判断所述投票人Alice是否是第一次投票，如果不满足条件，则所述投票管理结果CA拒绝进入投票阶段；如果满足条件，所述投票管理机构CA将随机发送一个唯一的选票ID给所述投票人Alice，意味着所述投票人Alice注册成功；
S6.投票阶段：所述投票人Alice根据手中的n比特投票信息m来选择对应的测量基按顺序测量手中的粒子A的状态，测量完后Alice记录测量结果，随后所述投票人Alice将测量结果编码为2n比特信息m”，随后所述投票人Alice通知所述投票管理机构CA处理其投票信息，同时Alice将信息m”用密钥KAC加密后发送给监督人Charlie；
S7.签名阶段：所述投票管理机构CA通过Bell态测量装置对粒子T和粒子1进行Bell态测量，并且记录测量结果MCA，随后将测量结果MCA用密钥KCA，C发送给所述监督人Charlie；
S8.所述监督人Charlie收到来自所述投票人Alice和投票管理机构CA加密的信息后，再使用相应存储的密钥解密信息进而得到信息m”和MCA，所述监督人Charlie验证信息是否由所述投票管理机构CA签名，如果签名不合法，则要求所述投票管理机构CA执行签名；如果验证成功，则所述监督人Charlie对粒子2和3执行Bell态测量，记录测量结果MC，随后将测量结果MC以及信息m”和MCA用密钥KBC加密后发送给计票人Bob；
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| TA01 | Transfer of patent application right | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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