[发明专利]基于稀土量子存储的量子数字签名方法及系统

说明书

本发明公开了一种基于稀土量子存储的量子数字签名方法及系统，通过选择确定式的纠缠光子对作为纠缠源，避免了系统中无法确定性产生纠缠的劣势，量子中继的效率高，实现长距离量子通信；而且利用稀土掺杂量子存储模块，寿命长，带宽大，保真度高，拥有高度的多模式工作能力，可以实现复用操作，在量子中继应用上具有较高的效率，实用性强；通过量子中继在量子网络上实现密钥的分发，进而利用密钥和随机数生成基于线性反馈移位寄存器的哈希函数，可以对任意长度的消息生成哈希值，具有很高的效率和良好的实用性。

技术领域

本发明涉及量子安全领域，具体涉及一种基于稀土量子存储的量子数字签名方法及系统。

背景技术

在经典密码学中对称密码可以保护数据的私密性，非对称密码可以保护完整性，实现认证以及防止抵赖。但经典密码满足这些信息安全需求的基础是数学问题求解的复杂度，随着计算机算力的提升以及量子计算技术的发展，这种基于计算复杂度的密码系统的安全性将会受到威胁。

量子信息技术的发展对密码学任务给出了革命性的解决方案。2016年，Yin等人提出利用双光子六态和诱骗态两种方法产生密钥来实现量子数字签名，理论上可以达到100km的实施距离；2021年，Lu等人设计了一种高效的量子数字签名方案，此方案采用了后匹配的处理方法，签名效率与探测效率表现出线性关系。这些协议保证了数据的完整性，防止篡改和抵赖，但这些协议每一轮签名只能针对一个比特的数据进行数字签名，签名效率低下，在消息较长的情况下缺乏实用性。

目前量子保密通信面临的主要挑战是长距离量子通信的实现，量子网络可以为这两个问题提供完美的解决方案。在量子网络上，可以借助量子中继实现远距离的纠缠分发，进而实现长距离量子通信，进而在长距离情况下完成各种密码学任务。由此看出，量子网络的实现是当前量子信息科学发展的重要核心问题。2001年，Duan等人提出建立量子中继，通过纠缠交换和量子存储来建立远程量子纠缠。随后，量子存储器作为量子中继的重要组成部分，被多次实验演示。2020年，Yu等人利用基于冷原子系综的量子存储器在20km和50km的距离上实现了纠缠，但这里的原子-光纠缠源自于随机性的原子系综的集体激发和拉曼散射光子，即无法确定性地产生纠缠，实现量子中继的效率较低，部署在量子网络上的实用性弱。为此，我们提出一种基于稀土量子存储的量子数字签名方法及系统以应对上面提及的现有技术的不足。

发明内容

发明目的：本发明目的是提供一种基于稀土量子存储的量子数字签名方法及系统，解决了现有的纠缠源无法确定性地产生纠缠，实现量子中继的效率较低，导致无法实现长距离量子通信；以及现有的量子数字签名效率很低，每一轮签名只能对一个比特数据进行签名，生成签名需要消耗大量通信资源的问题。

技术方案：本发明一种基于稀土量子存储的量子数字签名方法，包括以下步骤：

(1)共享GHZ纠缠态：发送端和接收端之间共享一对最大纠缠态的光子，接收端和验证端之间共享一对最大纠缠态的光子；接收端首先对自己手中的两个光子进行受控非门操作，完成受控非门操作之后，接收端在第一基矢下测量自己手中与验证端纠缠的光子，并根据测量显示结果判断验证端是否需进行比特翻转，从而使发送端、接收端和验证端共享GHZ纠缠态；

(2)得到经典比特：完成GHZ纠缠态的共享之后，发送端、接收端和验证端分别在第二基矢下对自己手中的光子进行测量，测得“+”对应经典比特为0，测得“-”对应经典比特为1，得到的经典比特结果作为最终的密钥，由于发送端、接收端和验证端共享GHZ纠缠态，则发送端、接收端和验证端分别测量得到的经典比特b_a，b_b和b_c之间满足

(3)得到密钥串：多次重复步骤(1)和(2)，这样发送端、接收端和验证端获得了密钥串B_a，B_b和B_c且满足