CN113285800A - 基于相干态的连续变量量子身份认证方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于相干态的连续变量量子身份认证方法和系统，包括：设置用户端和认证中心共享认证密钥K＝{K_s,K_b}，K_s为认证私钥，K_b为认证基；制备量子相干态，将认证私钥编码在量子相干态的正则分量上；将制备好的量子相干态通过光纤信道发送给认证中心，认证中心根据共享的认证基进行量子零差检测，得到接收私钥；将接收私钥和认证私钥对比计算相关性，判断身份的合法性；认证成功后进行连续变量量子密钥分发操作，更新认证密钥。本发明可更新产生具有无条件安全的身份认证密钥，具有极高安全性，同时没有复杂的调制和计算，操作较为简单，由于使用连续变量量子相干态即可实现，降低了实现成本。

Description

基于相干态的连续变量量子身份认证方法和系统

技术领域

本发明涉及量子通信技术领域，具体地，涉及一种基于相干态的连续变量量子身份认证方法和系统。

背景技术

量子密码是一种新型的密码实现技术。由于经典保密通信技术依靠的是数学计算复杂度，靠大量计算可以破解，如果量子计算机诞生，可能失去其保密效力，量子保密通信因此诞生。量子密码基于量子力学测不准原理，让窃听者无法无痕迹地窃听到密钥信息，从物理根源上保证了通信安全。连续变量量子保密通信技术因其高码率、低成本、与现有光网络融合好的特性，成为近来的一个热点研究方向。连续变量量子身份认证是连续变量量子保密通信技术的一种密码方法。现有的身份认证系统多属于经典身份认证系统，而量子身份认证方案让人们看到了身份认证上更多的可能性。

根据使用密钥、身份认证系统性质，身份认证系统主要分为基于经典密钥的量子身份认证系统、基于量子密钥的经典身份认证系统、纯量子身份认证系统三种模式。而根据所使用的密钥分发方式，量子身份认证可分为离散变量量子身份认证和连续变量量子身份认证两种类型。如今已提出的方案主要为基于离散变量的量子身份认证方案，基于连续变量的量子身份认证方案较少。

专利文献CN105515780B(申请号：CN201610017236.5)公开了基于量子密钥的身份认证系统和方法，系统包括用户端，认证服务端，量子网络，经典网络，用户端，认证服务端，本发明将传统技术中用于身份认证的明文信息与量子密钥K1串行组合后作为每次验证的明文信息，先对明文信息进行摘要的提取，再用加密算法对明文的摘要进行加密，最后将加密后的密文传输到认证服务端。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于相干态的连续变量量子身份认证方法和系统。

根据本发明提供的基于相干态的连续变量量子身份认证方法，包括：

步骤S1：设置用户端和认证中心共享认证密钥K＝{K_s,K_b}，其中：K_s为认证私钥；K_b为认证基；

步骤S2：在用户端制备量子相干态，将认证私钥编码在量子相干态的正则分量上；

步骤S3：在用户端将制备好的量子相干态通过光纤信道发送给认证中心，在认证中心根据共享的认证基进行量子零差检测，得到来自用户端的接收私钥；

步骤S4：将接收私钥和认证私钥对比计算相关性，判断身份的合法性；

步骤S5：在认证成功后，通过用户端和认证中心进行连续变量量子密钥分发操作，更新认证密钥，至此完成一周期认证，重复步骤S1-S5进入下一周期认证。

优选的，在用户端和认证中心中，使用高斯调制相干态连续变量量子密钥分发协议进行认证密钥共享。

优选的，所述步骤S2包括：

在用户端将认证私钥K_s＝{k₁,k₂,k₃...,k_N}信息依据认证基K_b＝{b₁,b₂,b₃...,b_N}调制编码在量子相干态的正则分量x或者p上，k₁,k₂,k₃...,k_N为连续分布的实数；

若b_i＝0,i＝{1,2,3,...N}，则调制编码在x分量上；若b_i＝1，i＝{1,2,3,...N}，则调制编码在p分量上。

优选的，所述步骤S3包括：

认证中心根据共享的认证基K_b，对接收到的量子相干态进行量子零差检测，获取正则分量值k'_i，并将分量值k'_i重组成接收私钥K'_s；

若b_i＝0，则进行x分量零差检测；若b_i＝1，则进行p分量零差检测。

优选的，所述步骤S4包括：根据操作设备和通信信道条件设定相关性函数与阈值T；

对比认证中心的认证私钥K_s和接收私钥K'_s并计算相关性R，与阈值T作比较，若R>T，则判定认证成功，表明身份合法；否则，判定为认证失败。

根据本发明提供的基于相干态的连续变量量子身份认证系统，包括：

模块M1：设置用户端和认证中心共享认证密钥K＝{K_s，K_b}，其中：K_s为认证私钥；K_b为认证基；

模块M2：在用户端制备量子相干态，将认证私钥编码在量子相干态的正则分量上；

模块M3：在用户端将制备好的量子相干态通过光纤信道发送给认证中心，在认证中心根据共享的认证基进行量子零差检测，得到来自用户端的接收私钥；

模块M4：将接收私钥和认证私钥对比计算相关性，判断身份的合法性；

模块M5：在认证成功后，通过用户端和认证中心进行连续变量量子密钥分发操作，更新认证密钥，至此完成一周期认证，重复步骤S1-S5进入下一周期认证。

优选的，在用户端和认证中心中，使用高斯调制相干态连续变量量子密钥分发协议进行认证密钥共享。

优选的，所述模块M2包括：

在用户端将认证私钥K_s＝{k₁,k₂,k₃...,k_N}信息依据认证基K_b＝{b₁,b₂,b₃...,b_N}调制编码在量子相干态的正则分量x或者p上，k₁,k₂,k₃...,k_N为连续分布的实数；

若b_i＝0,i＝{1,2,3,...N}，则调制编码在x分量上；若b_i＝1，i＝{1,2,3,...N}，则调制编码在p分量上。

优选的，所述模块M3包括：

认证中心根据共享的认证基K_b，对接收到的量子相干态进行量子零差检测，获取正则分量值k'_i，并将分量值k'_i重组成接收私钥K'_s；

若b_i＝0，则进行x分量零差检测；若b_i＝1，则进行p分量零差检测。

优选的，所述模块M4包括：根据操作设备和通信信道条件设定相关性函数与阈值T；

对比认证中心的认证私钥K_s和接收私钥K'_s并计算相关性R，与阈值T作比较，若R>T，则判定认证成功，表明身份合法；否则，判定为认证失败。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)本发明提出的量子身份认证方案采用了相干态作为载体，其编码调制、检测以及阈值判决都可以利用现有的高斯调制相干态CVQKD系统来实现，无需单独构建新的硬件系统而只需调整相关软件即可构建；

(2)本发明可利用高斯调制相干态CVQKD系统直接更新产生无条件安全的身份认证密钥，具有极高安全性；

(3)本发明没有复杂的调制编码和计算，操作较为简单，使用的是相干态信号，降低了通信成本。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的用户端和认证中心之间通信示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例：

本发明提出了一种基于相干态的连续变量量子身份认证方案，可利用现有的高斯调制相干态CVQKD系统即可实现，同时保证身份认证的极高安全性。

本发明提出的一种基于相干态的量子身份认证方法，包括以下步骤：

步骤S1：用户端和认证中心事先通过安全方式共享认证密钥K＝{K_s,K_b}，其中K_s＝{k₁,k₂,k₃...,k_N}为认证私钥，其中k₁,k₂...k_N为连续分布的实数，K_b＝{b₁,b₂,b₃...,b_N}为二进制比特串，为认证基；

步骤S2：用户端制备量子相干态，并将认证私钥编码在其正则分量上；

步骤S3：用户端将制备好的量子相干态通过光纤信道发送给认证中心，接收端根据事先共享的认证基进行量子零差检测，得到用户端发送来的认证私钥；

步骤S4：认证中心将接收认证私钥和原持私钥对比计算相关性，判断身份是否合法；

步骤S5：认证成功后用户端和认证中心进行连续变量量子密钥分发操作，更新原有认证密钥，至此一周期认证完成，进入下一周期时再次重复步骤S1-S5。

步骤S1中，用户端与认证中心使用现有已被证明具有无条件安全性的高斯调制相干态连续变量量子密钥分发(CVQKD)协议，如GG02协议进行认证密钥的共享。

步骤S2中发送端制备量子相干态，并将认证私钥编码在其正则分量上，编码细节如下：

S201：用户端将认证私钥K_s＝{k₁,k₂,k₃...,k_N}信息依据认证基K_b＝{b₁,b₂,b₃...,b_N}调制编码在量子相干态的正则分量x或者p上；

S202：如果b_i＝0,i＝{1,2,3,...N}，则调制编码在x分量上，如果b_i＝1,i＝{1,2,3,...N}，则调制编码在p分量上。

步骤S3中，用户端将制备好的量子相干态通过量子信道发送给认证中心，认证中心根据事先共享的认证基进行量子平衡零差检测，获取用户端发送来的认证私钥，其步骤如下：

步骤S301：用户端将制备的连续变量量子相干态发送给认证中心；

步骤S302：认证中心根据已有共享的认证基K_b，对接收到的量子相干态进行量子平衡零差检测，如b_i＝0,i＝{1，2，3，...N}，则对其进行x分量零差检测，反之则进行p分量零差检测，获取正则分量值k'_i；

步骤S303：将上一步中得到的k'_i，i＝{1，2，3，...N}组成接收私钥K'_s。。

步骤S4中，认证中心将接收认证私钥和原持私钥对比计算相关性，判断身份是否合法,具体步骤如下：

步骤401：认证中心对比手中的认证私钥K_s和接收私钥K'_s，计算其相关性R，并与阈值T作比较，具体相关性函数与阈值T的设定需根据具体操作设备和通信信道条件决定；

步骤402：比较相关性R和阈值T，若R>T，则认为认证成功，身份合法，否则，认为认证失败。

步骤S5中，若步骤S4中已认证成功，用户端与认证中心可以使用现有已被证明具有无条件安全性的高斯调制相干态连续变量量子密钥分发方案，如GG02协议进行认证密钥的更新。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种基于相干态的连续变量量子身份认证方法，其特征在于，包括：

步骤S1：设置用户端和认证中心共享认证密钥K＝{K_s,K_b}，其中：K_s为认证私钥；K_b为认证基；

步骤S2：在用户端制备量子相干态，将认证私钥编码在量子相干态的正则分量上；

步骤S3：在用户端将制备好的量子相干态通过光纤信道发送给认证中心，在认证中心根据共享的认证基进行量子零差检测，得到来自用户端的接收私钥；

步骤S4：将接收私钥和认证私钥对比计算相关性，判断身份的合法性；

步骤S5：在认证成功后，通过用户端和认证中心进行连续变量量子密钥分发操作，更新认证密钥，至此完成一周期认证，重复步骤S1-S5进入下一周期认证。

2.根据权利要求1所述的基于相干态的连续变量量子身份认证方法，其特征在于，在用户端和认证中心中，使用高斯调制相干态连续变量量子密钥分发协议进行认证密钥共享。

3.根据权利要求1所述的基于相干态的连续变量量子身份认证方法，其特征在于，所述步骤S2包括：

在用户端将认证私钥K_s＝{k₁,k₂,k₃...,k_N}信息依据认证基K_b＝{b₁,b₂,b₃...,b_N}调制编码在量子相干态的正则分量x或者p上，k₁,k₂,k₃...,k_N为连续分布的实数；

若b_i＝0,i＝{1,2,3,...N}，则调制编码在x分量上；若b_i＝1,i＝{1,2,3,...N}，则调制编码在p分量上。

4.根据权利要求1所述的基于相干态的连续变量量子身份认证方法，其特征在于，所述步骤S3包括：

认证中心根据共享的认证基K_b，对接收到的量子相干态进行量子零差检测，获取正则分量值k'_i，并将分量值k'_i重组成接收私钥K'_s；

若b_i＝0，则进行x分量零差检测；若b_i＝1，则进行p分量零差检测。

5.根据权利要求1所述的基于相干态的连续变量量子身份认证方法，其特征在于，所述步骤S4包括：根据操作设备和通信信道条件设定相关性函数与阈值T；

对比认证中心的认证私钥K_s和接收私钥K'_s并计算相关性R，与阈值T作比较，若R>T，则判定认证成功，表明身份合法；否则，判定为认证失败。

6.一种基于相干态的连续变量量子身份认证系统，其特征在于，包括：

模块M1：设置用户端和认证中心共享认证密钥K＝{K_s,K_b}，其中：K_s为认证私钥；K_b为认证基；

模块M2：在用户端制备量子相干态，将认证私钥编码在量子相干态的正则分量上；

模块M3：在用户端将制备好的量子相干态通过光纤信道发送给认证中心，在认证中心根据共享的认证基进行量子零差检测，得到来自用户端的接收私钥；

模块M4：将接收私钥和认证私钥对比计算相关性，判断身份的合法性；

模块M5：在认证成功后，通过用户端和认证中心进行连续变量量子密钥分发操作，更新认证密钥，至此完成一周期认证，重复步骤S1-S5进入下一周期认证。

7.根据权利要求6所述的基于相干态的连续变量量子身份认证系统，其特征在于，在用户端和认证中心中，使用高斯调制相干态连续变量量子密钥分发协议进行认证密钥共享。

8.根据权利要求6所述的基于相干态的连续变量量子身份认证系统，其特征在于，所述模块M2包括：

在用户端将认证私钥K_s＝{k₁,k₂,k₃...,k_N}信息依据认证基K_b＝{b₁,b₂,b₃...,b_N}调制编码在量子相干态的正则分量x或者p上，k₁,k₂,k₃...,k_N为连续分布的实数；

若b_i＝0,i＝{1,2,3,...N}，则调制编码在x分量上；若b_i＝1,i＝{1,2,3,...N}，则调制编码在p分量上。

9.根据权利要求6所述的基于相干态的连续变量量子身份认证系统，其特征在于，所述模块M3包括：

认证中心根据共享的认证基K_b，对接收到的量子相干态进行量子零差检测，获取正则分量值k'_i，并将分量值k'_i重组成接收私钥K'_s；

若b_i＝0，则进行x分量零差检测；若b_i＝1，则进行p分量零差检测。

10.根据权利要求6所述的基于相干态的连续变量量子身份认证系统，其特征在于，所述模块M4包括：根据操作设备和通信信道条件设定相关性函数与阈值T；

对比认证中心的认证私钥K_s和接收私钥K'_s并计算相关性R，与阈值T作比较，若R>T，则判定认证成功，表明身份合法；否则，判定为认证失败。

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