[发明专利]一种基于偏振编码的量子数字签名系统及方法

权利要求书

1.一种基于偏振编码的量子数字签名系统，其特征在于：包括发送端、接收端和验证端，发送端包括相互连接的第一量子通信单元和第一经典处理单元，接收端包括相互连接的第二量子通信单元和第二经典处理单元，验证端包括相互连接的第三量子通信单元和第三经典处理单元；其中发送端和接收端的量子通信单元之间、发送端和验证端的量子通信单元之间均通过量子信道连接，发送端和接收端的经典处理单元之间、发送端和验证端的经典处理单元之间、接收端和验证端的经典处理单元之间均通过经典信道连接；

所述第一量子通信单元包括脉冲激光发生模块、第一光学传输模块、偏振编码模块、第二光学传输模块、强度调制模块和时分复用模块，脉冲激光发生模块连接第一光学传输模块的a端口，第一光学传输模块的b端口和c端口分别连接偏振编码模块和第二光学传输模块的a端口，第二光学传输模块的b端口连接强度调制模块，第二光学传输模块的c端口与时分复用模块的输入端连接，时分复用模块的两输出端分别与第二量子通信单元和第三量子通信单元连接；

所述第二量子通信单元包括第一分束模块、第一电控偏振控制模块、第二电控偏振控制模块、第二分束模块、第三分束模块、第一合束模块、第二合束模块、第一单光子探测模块和第二单光子探测模块，所述第一分束模块的输入端与时分复用模块连接，第一分束模块的透射输出端与第一电控偏振控制模块连接，第一分束模块的反射输出端与第二电控偏振控制模块连接，第一电控偏振控制模块的输出端与第二分束模块的输入端连接，第二分束模块的两输出端分别与第一合束模块的两输入端连接，第一合束模块的输出端与第一单光子探测模块连接；第二电控偏振控制模块的输出端与第三分束模块的输入端连接，第三分束模块的两输出端分别与第二合束模块的两输入端连接，第二合束模块的输出端与第二单光子探测模块连接；所述第三量子通信单元的结构与第二量子通信单元的结构相同；

其中，所述第一经典处理单元、第二经典处理单元和第三经典处理单元均包括数据处理模块，数据处理模块用于将测量结果进行处理得到发送端与接收端之间生成的最终密钥K_AB和发送端与验证端之间生成的最终密钥K_AC；

所述第一经典处理单元还包括第一密钥选择模块、加密模块和第一哈希函数及摘要生成模块；第一密钥选择模块对发送端的密钥K_AB、密钥K_AC做异或操作得到密钥串之后第一密钥选择模块从密钥串K_A中随机选择出第一组n位密钥以及从发送端的随机数发生器中获取n位随机数进入第一哈希函数及摘要生成模块，所述n位随机数用于生成不可约多项式，该不可约多项式和作为输入随机数的第一组n位密钥一起生成基于线性反馈移位寄存器的哈希函数，将需要签名的消息输入第一哈希函数及摘要生成模块，利用生成的哈希函数对需要签名的消息生成第一哈希值，所述第一哈希值与不可约多项式中除最高项以外每一项系数组成的字符串构成第一摘要；从密钥串K_A中剩下的密钥取第二组2n位密钥进入加密模块，对进入加密模块的第一摘要进行异或加密,生成最终的数字签名；

所述n位随机数用于生成不可约多项式的具体过程为：

1)首先，依次用n位随机数的每一位对应多项式中除最高项以外每一项的系数，生成一个GF(2)域中的n阶多项式，最高项的系数为1；

2)然后，利用FMC算法验证此多项式是否为不可约多项式，若验证结果为“否”，则从发送端的随机数发生器直接生成n位的另一组随机数，作为新的n位随机数返回步骤1)重新生成多项式并验证；若验证结果为“是”，则停止验证，得到不可约多项式；

在步骤1)之前，若n位随机数的最后一位为0，则令随机数的最后一位为1，再生成一个GF(2)域中的n阶不可约多项式；或若n位随机数的最后一位为0，则重新生成n位随机数直至生成的n位随机数最后一位为1，再生成一个GF(2)域中的n阶不可约多项式。

2.根据权利要求1所述的一种基于偏振编码的量子数字签名系统，其特征在于：所述强度调制模块包括第一分束器和第一相位调制器，第一分束器的输入端与第二光学传输模块的b端口连接，第一分束器的透射输出端与第一相位调制器的输入端连接，第一分束器的反射输出端与第一相位调制器的输出端连接。