CN215072437U - 一种抗偏振扰动的量子数字签名系统 - Google Patents

一种抗偏振扰动的量子数字签名系统 Download PDF

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沈名轩
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一种抗偏振扰动的量子数字签名系统，包括一个消息的发送者Alice和两个消息接收者Bob和接收者Charlie，所述发送者Alice将一个消息结合数字签名发送给接收者Bob和接收者Charlie，所述接收者Bob作为消息的认证者，把发送者Alice发送的信息转发给接收者Charlie，所述接收者Charlie的构成与接收者Bob完全相同。与现有技术相比，本实用新型提出一种可以抗信道偏振扰动的基于相位编码BB84量子密钥分发系统的量子数字签名方案。信道扰动导致的光子偏振态变化不影响系统最终的干涉结果，即可以保证系统的稳定性。

Description

一种抗偏振扰动的量子数字签名系统
技术领域
本实用新型涉及量子数字签名技术领域，特别涉及一种抗偏振扰动的量子数字签名系统。
背景技术
数字签名广泛应用于诸多方面，如电子邮件，金融交易等，被认为是现代密码学最基础和实用的实用新型之一。数字签名通常被用来保证信息被合法用户在身份得到认证的条件下进行签名，同时确保信息可转移，不可伪造，不可抵赖。然而，目前常用的数字签名协议都是采用公钥体制，其安全性依赖于特定问题的计算复杂度假设。随着量子计算机的出现，经典数字签名的安全性面临着严峻的考验。幸运的是，量子数字签名(quantum digitalsignature,QDS)协议提供了基于量子力学原理的信息论安全性。
量子数字签名协议移除了原始协议对安全量子信道的需求，分为分发和签名两个阶段，其中分发阶段采用了与QKD相同的密钥生成协议(key generation protocol,KGP)来生成初始密钥，但是无需进行纠错和保密放大等后处理过程。在这种QDS协议中，除KGP阶段为量子过程外，其余阶段的通信均为经典过程。量子数字签名协议可以直接利用现有的量子密钥分发系统，并且不需要安全的量子信道。然而在实地应用场景，常用的光纤信道存在双折射等效应，信道偏振扰动对系统的影响不可忽视。专利CN204993393U中提出了一种基于偏振编码的方案，需要采用主动偏振反馈系统，增加了系统的复杂度和不稳定性。
实用新型内容
针对现有技术存在以上缺陷，为了提高系统的实用性，本实用新型提出一种可以抗信道偏振扰动的基于相位编码BB84量子密钥分发系统的量子数字签名方案。信道扰动导致的光子偏振态变化不影响系统最终的干涉结果，即可以保证系统的稳定性：
本实用新型的技术方案是这样实现的：
一种抗偏振扰动的量子数字签名系统，包括一个消息的发送者Alice和两个消息接收者Bob和接收者Charlie，所述发送者Alice将一个消息结合数字签名发送给接收者Bob和接收者Charlie，所述接收者Bob作为消息的认证者，把发送者Alice发送的信息转发给接收者Charlie，
所述接收者Bob包括一个激光器Laser、一个光强调制器IM、一个不等臂 MZ干涉仪、一个可调衰减器VOA以及一个消偏器Depol，所述激光器Laser 依次连接光强调制器IM、不等臂MZ干涉仪、可调衰减器VOA以及消偏器 Depol；
所述接收者Charlie的构成与接收者Bob完全相同；
所述发送者Alice包括四个偏振分束器PBS和两个与接收者Bob相同的不等臂MZ干涉仪以及两个单光子探测器，四个偏振分束器为第一偏振分束器、第二偏振分束器、第三偏振分束器、第四偏振分束器、所述两个不等臂MZ干涉仪为第一不等臂干涉仪、第二不等臂干涉仪，所述两个单光子探测器为第一单光子探测器与第二单光子探测器，所述第一偏振分束器三端口连接第一不等臂干涉仪第一输入口，所述第一偏振分束器四端口连接第二不等臂干涉仪第一输入口，所述第二偏振分束器三端口连接第一不等臂干涉仪第二输入口，所述第二偏振分束器四端口连接第二不等臂干涉仪第二输入口，所述第一不等臂干涉仪第一输出口连接第三偏振分束器一端口，所述第一不等臂干涉仪第二输出口连接第四偏振分束器一端口，所述第二不等臂干涉仪第一输出口连接第三偏振分束器二端口，所述第二不等臂干涉仪第二输出口连接第四偏振分束器二端口，所述第三偏振分束器输出端连接第一单光子探测器，所述第四偏振分束器输出端连接第二单光子探测器；
所述接收者Bob的消偏器Depol输出端通过光纤信道QC连接第一偏振分束器输入端，所述接收者Charlie的消偏器Depol输出端通过光纤信道QC连接第二偏振分束器输入端。
优选地，所述不等臂MZ干涉仪包括两个保偏分束器BS以及一个相位调制器PM，所述两个保偏分束器BS为第一保偏分束器BS以第二保偏分束器BS，所述第一保偏分束器BS的两个输出端通过长臂以及短臂分别连接第二保偏分束器BS的两个输入端，所述长臂上连接相位调制器PM。
优选地，所述光纤信道QC为保偏光纤。
与现有技术相比，本实用新型有以下有益效果：
1.本实用新型光学方案适用于三方签名系统，三方所需的干涉仪结构简单且完全相同，便于大批量制作，可用集成光学芯片代替；
2.由于消偏器和偏振分束器的结合使用，可以抵御信道偏振变化，使得系统稳定性大大提高；
3.整个系统只需要两个单光子探测器，降低了系统的成本和复杂度。
附图说明
图1为本实用新型抗偏振扰动的量子数字签名系统的原理框图。
图中：发送者Alice100，第一偏振分束器110，第二偏振分束器120，第三偏振分束器130，第四偏振分束器140，第一单光子探测器150，第二单光子探测器160，接收者Bob200，激光器Laser210，光强调制器IM220，不等臂MZ 干涉仪230，第一不等臂干涉仪231，第二不等臂干涉仪232，相位调制器PM233，第一保偏分束器BS234，第二保偏分束器BS235，可调衰减器VOA240，消偏器 Depol250，接收者Charlie300。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型进行清楚、完整地描述。
如图1所示，一种抗偏振扰动的量子数字签名系统，包括一个消息的发送者Alice100和两个消息接收者Bob200和接收者Charlie300，所述发送者Alice100 将一个消息结合数字签名发送给接收者Bob200和接收者Charlie300，所述接收者Bob200作为消息的认证者，把发送者Alice100发送的信息转发给接收者Charlie300，
所述接收者Bob200包括一个激光器Laser210、一个光强调制器IM220、一个不等臂MZ干涉仪230、一个可调衰减器VOA240以及一个消偏器Depol250，所述激光器Laser210依次连接光强调制器IM220、不等臂MZ干涉仪230、可调衰减器VOA240以及消偏器Depol250；
所述接收者Charlie300的构成与接收者Bob200完全相同；
所述发送者Alice100包括四个偏振分束器PBS和两个与接收者Bob200相同的不等臂MZ干涉仪230以及两个单光子探测器，四个偏振分束器为第一偏振分束器110、第二偏振分束器120、第三偏振分束器130、第四偏振分束器140、所述两个不等臂MZ干涉仪230为第一不等臂干涉仪231、第二不等臂干涉仪 232，所述两个单光子探测器为第一单光子探测器150与第二单光子探测器160，所述第一偏振分束器110三端口连接第一不等臂干涉仪231第一输入口，所述第一偏振分束器110四端口连接第二不等臂干涉仪232第一输入口，所述第二偏振分束器120三端口连接第一不等臂干涉仪231第二输入口，所述第二偏振分束器120四端口连接第二不等臂干涉仪232第二输入口，所述第一不等臂干涉仪231第一输出口连接第三偏振分束器131一端口，所述第一不等臂干涉仪 231第二输出口连接第四偏振分束器140一端口，所述第二不等臂干涉仪232第一输出口连接第三偏振分束器131二端口，所述第二不等臂干涉仪232第二输出口连接第四偏振分束器140二端口，所述第三偏振分束器130输出端连接第一单光子探测器150，所述第四偏振分束器140输出端连接第二单光子探测器160；
所述接收者Bob200的消偏器Depol250输出端通过光纤信道QC连接第一偏振分束器110输入端，所述接收者Charlie300的消偏器Depol250输出端通过光纤信道QC连接第二偏振分束器120输入端。
所述不等臂MZ干涉仪230包括两个保偏分束器BS以及一个相位调制器 PM233，所述两个保偏分束器BS为第一保偏分束器BS234以第二保偏分束器 BS235，所述第一保偏分束器BS234的两个输出端通过长臂以及短臂分别连接第二保偏分束器BS235的两个输入端，所述长臂上连接相位调制器PM233。
所述光纤信道QC为保偏光纤。
以下各个部件名称均由英文表示，下面以Bob和Alice之间的KGP过程为例，来说明方案的抗信道偏振扰动特性。Bob的Laser产生相位随机化的相干态脉冲，通过IM调制脉冲的强度，产生用于信号态、诱骗态和真空态脉冲。光脉冲进入由2个BS和一个PM组成的不等臂Mach-Zehnder干涉仪(AMZI)进行相位编码，然后被EVOA衰减到单光子量级。从Bob发出的量子态可写为
Figure BDA0003167706600000061
其中
Figure BDA0003167706600000062
表示光子走长臂(L)和短臂(S)两个时间模式之间由 PM引入的相位差，|α|2＝μ为信号态脉冲的平均光子数。激光器，IM和AMZI 之间以及AMZI内部的光纤均为保偏光纤，这样可以保证从Bob出射量子态的两个时间模式拥有相同的偏振态，然后用消偏器Depol将光子偏振态随机化。
在经过光纤信道中传输之后，由于存在双折射效应，到达Alice端的光子偏振态会因信道扰动而随机变化，消偏器Depol将偏振态随机化之后，光子的偏振度接近于0，信道扰动对偏振态的影响可以被忽略掉。Alice端采用偏振分束器PBS将入射的光子进行起偏，分成幅度大小相同的两个分量H和V，分别沿路径a和b传播，相应的量子态为：
Figure BDA0003167706600000063
Figure BDA0003167706600000064
其中，|αa|2＝|αb|2＝μ/2。然后，这两个量子态分别经过一个AMZI，并在 AMZI的后一个BS处进行干涉。对于量子态|Ψa>，干涉结果可写为
Figure BDA0003167706600000065
其中，
Figure BDA0003167706600000066
为Alice的PM1和Bob的PM之间的相位差，下标e和f 分别表示两个干涉结果分别沿路径e和f传播。类似的可以得到量子态|Ψb>的干涉结果：
Figure BDA0003167706600000071
其中，
Figure BDA0003167706600000072
为Alice的PM2和Bob的PM之间的相位差，下标g和h 分别表示两个干涉结果分别沿路径g和h传播。路径e的干涉结果
Figure BDA0003167706600000073
和g的干涉结果
Figure BDA0003167706600000074
同时到达PBS3被合为一个脉冲，然后被SPD1 探测。通过对Alice的两个PM进行相位补偿，可以使得
Figure BDA0003167706600000075
由于 |αa|2+|αb|2＝|α|2，可知SPD1所探测到的这两个量子态所合成的脉冲等效于对量子态
Figure BDA0003167706600000076
的探测，探测结果可以写成
Figure BDA0003167706600000077
同理可得，路径f和h的量子态被PBS4合成一个脉冲并进入SPD2，探测结果为
Figure BDA0003167706600000078
上面两式表面，两个单光子探测器的探测结果只与入射光的平均光子数和Bob 与Alice之间的相位差有关，而与其偏振态无关，不会随两个偏振分量的改变而变化。同时可以看出，本方案中入射光脉冲首先分成两个偏振分量分别经过一个AMZI进行干涉之后再进行合束，损耗相当于一个脉冲整体经过一个AMZI，干涉结果与传统的接收端为单个AMZI且校准好入射光偏振态的情形完全相同。
路径“a～h”的光纤长度等长，并且PM都位于AMZI长臂的中间。
量子密钥分发系统工作流程归纳如下：
量子数字签名协议共分为两个阶段：分发阶段和消息阶段。在分发阶段， Alice分别与Bob和Charlie进行独立的KGP过程，来分别产生关联的密钥串。具体的，在我们的协议中，由Bob和Charlie分别独立地向Alice发送量子态， Alice对接收到的量子态进行测量。在消息阶段，Alice作为发送者，向Bob和 Charlie进行经典的消息发送和签名。具体的过程为：
1.分发阶段：
(1)对于每一个待签名的经典比特m(m＝0/1)，Bob(或Charlie)随机将4种 BB84态(Z基：{0；π}和X基：{π/2；3π/2})制备到个相干态脉冲上，并通过强度调制器制备信号态(平均光子数u1)、诱骗态(平均光子数u2)和真空态 (平均光子数u3)脉冲，然后通过不安全的量子信道发送给Alice。Alice随机选择X基或Z基对接收到的光子进行测量。
(2)Bob(或Charlie)和Alice通过经典信道进行对基操作，同时公布诱骗态信息。他们保留基一致的结果，生成长度为L+k的筛后密钥。
(3)Bob(或Charlie)与Alice从X基的比特中随机抽取小部分密钥比特(长度为k)进行误码估计，这部分密钥记为
Figure BDA0003167706600000081
考虑有限长效应，估计出误码率的上限
Figure BDA0003167706600000082
他们舍弃用于误码估计的密钥比特之后，各自保留的比特长度为 L，分别记为
Figure BDA0003167706600000083
和
Figure BDA0003167706600000084
(
Figure BDA0003167706600000085
和
Figure BDA0003167706600000086
)。
(4)Bob(Charlie)从他的密钥BA m中随机选取一半(长度为L/2)通过私密的安全信道发送给Charlie(Bob)，记为
Figure BDA0003167706600000087
并保留剩下的一半密钥
Figure BDA0003167706600000088
Figure BDA0003167706600000089
这样，Bob和Charlie所持有的密钥比特分别为
Figure BDA00031677066000000810
和
Figure BDA0003167706600000091
即Bob和Charlie都分别拥有对方的一半密钥。
·消息阶段
(1)Alice将消息及签名(m；Sigm)发送给一个消息接收者(Bob)，其中
Figure BDA0003167706600000092
Figure BDA0003167706600000093
(2)Bob将自己的密钥
Figure BDA0003167706600000094
中的
Figure BDA0003167706600000095
和
Figure BDA0003167706600000096
分别与Alice发送过来的密钥Sigm进行比较并记录不一致的比特数，如果
Figure BDA0003167706600000097
的两部分分别与Sigm不一致的比特数均小于Sa(L/2)，Bob接受这条签名消息，其中，Sa＜0.5为设定的安全阈值。否则，Bob拒绝这条消息。
(3)Bob将这条签名消息(m；Sigm)转发给Charlie。
(4)Charlie使用自己的密钥
Figure BDA0003167706600000098
与Bob转发过来的Sigm进行比较并记录不一致的比特数，如果两部分不一致的比特数均小于Sv(L/2)，Charlie接受这条签名消息，其中，Sv为设定的安全阈值，且满足0＜Sa＜Sv＜0.5。否则，Charlie 拒绝这条消息。
综合本实用新型的结构与原理可知，本实用新型抗偏振扰动的量子数字签名系统，可以将光能量利用率提升至100％，即将QKD系统成码率提高至原始方案的2倍；发射端干涉仪结构简单，仅由一个偏振分束器和一个相位调制器构成，易于制作，且接收端干涉仪结构与发射端干涉仪完全相同，便于批量制作。

Claims (3)

1.一种抗偏振扰动的量子数字签名系统，其特征在于，包括一个消息的发送者Alice和两个消息接收者Bob和接收者Charlie，所述发送者Alice将一个消息结合数字签名发送给接收者Bob和接收者Charlie，所述接收者Bob作为消息的认证者，把发送者Alice发送的信息转发给接收者Charlie，
所述接收者Bob包括一个激光器Laser、一个光强调制器IM、一个不等臂MZ干涉仪、一个可调衰减器VOA以及一个消偏器Depol，所述激光器Laser依次连接光强调制器IM、不等臂MZ干涉仪、可调衰减器VOA以及消偏器Depol；
所述接收者Charlie的构成与接收者Bob完全相同；
所述发送者Alice包括四个偏振分束器PBS和两个与接收者Bob相同的不等臂MZ干涉仪以及两个单光子探测器，四个偏振分束器为第一偏振分束器、第二偏振分束器、第三偏振分束器、第四偏振分束器、所述两个不等臂MZ干涉仪为第一不等臂干涉仪、第二不等臂干涉仪，所述两个单光子探测器为第一单光子探测器与第二单光子探测器，所述第一偏振分束器三端口连接第一不等臂干涉仪第一输入口，所述第一偏振分束器四端口连接第二不等臂干涉仪第一输入口，所述第二偏振分束器三端口连接第一不等臂干涉仪第二输入口，所述第二偏振分束器四端口连接第二不等臂干涉仪第二输入口，所述第一不等臂干涉仪第一输出口连接第三偏振分束器一端口，所述第一不等臂干涉仪第二输出口连接第四偏振分束器一端口，所述第二不等臂干涉仪第一输出口连接第三偏振分束器二端口，所述第二不等臂干涉仪第二输出口连接第四偏振分束器二端口，所述第三偏振分束器输出端连接第一单光子探测器，所述第四偏振分束器输出端连接第二单光子探测器；
所述接收者Bob的消偏器Depol输出端通过光纤信道QC连接第一偏振分束器输入端，所述接收者Charlie的消偏器Depol输出端通过光纤信道QC连接第二偏振分束器输入端。
2.如权利要求1所述抗偏振扰动的量子数字签名系统，其特征在于，所述不等臂MZ干涉仪包括两个保偏分束器BS以及一个相位调制器PM，所述两个保偏分束器BS为第一保偏分束器BS以第二保偏分束器BS，所述第一保偏分束器BS的两个输出端通过长臂以及短臂分别连接第二保偏分束器BS的两个输入端，所述长臂上连接相位调制器PM。
3.如权利要求1或2所述抗偏振扰动的量子数字签名系统，其特征在于，所述光纤信道QC为保偏光纤。
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