[发明专利]一种参考系无关量子数字签名方法

说明书

本发明提出一种参考系无关量子数字签名方法，应用于量子签名系统之中。量子数字签名系统包括用户端Alice、Bob、Charlie三方参与者，其中Alice属于签名者，Bob、Charlie属于被签名者。该方法包括密钥分发阶段和消息阶段，在密钥分发阶段利用参考系无关量子密钥分发协议产生密钥，然后在消息阶段通过使用以上过程生成的密钥完成量子数字签名。本协议在用户参考系之间存在比较大偏转角的情况下，仍然可以保持较高的签名率，其表现优于现有的BB84量子数字签名协议。

技术领域

本发明属于量子通信中的量子数字签名领域，具体为一种参考系无关量子数字签名方法。

背景技术

数字签名是一种重要的密码学协议并且广泛应用于现代远程通信中，例如分发邮件和电子金融等场景。大多数经典的数字签名，例如RSA,DSA(Digital SignatureAlgorithm)以及ECDSA(Elliptic Curve Digital Signature Algorithm),其安全性都依赖于计算复杂度。但不幸的是，随着量子计算的出现，经典数字签名受到威胁。在量子计算时代下，迫切需要安全的数字签名。与经典数字签名相比，量子数字签名(Quantum DigitalSignature，QDS)基于量子力学理论，可以保证通信在信息论层面的安全性。第一个量子协议由D.Gottesman和I.Chuang两人提出。在这个协议中，需要满足长时间的量子存储和非破坏性态比对技术和不存在窃听的量子信道。从实验技术上来说，这些要求难以实现。在这个协议后，许多量子数字签名协议被提出并在实验上实现。其中R.Amiri等人提出的无需安全量子信道的量子数字签名协议允许量子信道存在第三方窃听。在此协议中，发送方和接收方在KGP过程中制备密钥。然而在量子密钥分配过程中，通信的双方的参考系需要校准保持一致。它们需要保持偏振一致或干涉稳定，这些需要耗费大量资源，例如在地面与卫星量子通信中实现共同的偏振参考系不符合实际。

发明内容

本发明目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种参考系无关量子数字签名方法，应用于量子数字签名系统中，在密钥生成阶段采用参考系无关的量子密钥分配方法，不需要校准通信双方的参考系，减少不必要的通信成本损耗，降低技术难度。

本发明解决技术问题采取的技术方案是采用一种参考系无关量子数字签名方法(Reference-Frame-Independent Quantum Digital Signature)，在量子密钥分配过程中，通信双方分别为发送方与接收方。发送方与接收方随机从Z基、X基、Y基选择进行投影测量，并公布测量结果。假设发送方发送的总脉冲数为N，根据参考系无关协议得到的增益以及误码率可以得到不同基下的脉冲个数以及误码个数。之后通过参数估计，可以得到不同基下的真空态和单光子响应计数，同时可以计算不同基下的单光子误码率。由于在参考系无关协议下，Eve窃听的信息量用I_E衡量，故对于参考系无关的量子数字签名协议最小熵为：

该方法包括发送阶段与消息阶段。其中Alice为发送方，Bob/Charlie为接收方。在密钥分发阶段，Alice与Bob，Alice与Charlie根据密钥产生协议生成比特串。其中Alice分别向Bob和Charlie发送量子态，Bob(Charlie)量子态进行投影测量。在消息阶段，发送者Alice将要签名的消息和签名发送给Bob和Charlie。Bob和Charlie将签名与自己的密钥匹配，根据是否满足相应的阈值条件，来判断是否接收签名和消息。

该方法应用于量子数字签名(Quantum Digital Signature,QDS)传输系统中，QDS传输系统中包括用户端Alice、Bob、Charlie；该方法包含密钥分发阶段和消息阶段；

在密钥分发阶段，Alice作为发送方，发送N个脉冲，Bob和Charlie作为接收方，具体步骤为：