[发明专利]一种基于偏振编码的量子数字签名系统及方法

说明书

本发明公开了一种基于偏振编码的量子数字签名系统及方法，其中数字签名系统每次签名先生成密钥串，通过密钥串中随机选择部分密钥和随机数发生器中获取的随机数生成哈希函数，将消息输入哈希函数生成第一哈希值，并从剩下的密钥中选取部分密钥对第一哈希值和不可约多项式中除最高项以外每一项系数组成的字符串进行异或加密操作得到签名；该过程每次签名都更新哈希函数，对于消息的长度没有限制，这样消耗的通信资源有限，提升了数字签名的效率，增强了实用性；同时，本发明采用偏振编码的BB84协议方式生成安全密钥，在物理原理的层面上保证了密钥的无条件安全，利用无条件安全的密钥生成的数字签名，进而保证无条件安全。

技术领域

本发明涉及量子通信安全领域，具体涉及一种基于偏振编码的量子数字签名系统及方法。

背景技术

数字签名技术是信息安全重要守护技术，数字签名技术可以用来检验信息在信道中传递的过程是否改变了信息内容，这种性质使得其可以被用于保障数据的完整性与真实性；另外发送方在这种技术面前也无法对消息做抵赖，这也是“签名”这个名字的由来。现在的数字签名技术是基于非对称密码系统的，但是像RSA等非对称密码系统是基于数学复杂度来保障安全性的，原本基于现有的算力水平无法在有效时间内破解这些密码系统，可是随着量子计算机和量子算法的发展，RSA基于的大数质因子分解问题出现了有效时间内被解出的可能。所以可以预见随着量子计算机和量子算法的发展，现有的非对称密码系统将会逐渐失效，与之相对的，量子数字签名方案可以在量子计算技术成熟的未来保障信息网络的安全性。

针对目前数字签名面对的问题，2016年HL Yin等人提出了基于QKD的量子数字签名协议，其移除了认证量子信道的假设且降低了实现量子数字签名的技术要求，提高了量子数字签名技术的实用性，但是因为该协议每一轮签名只能针对一个比特的数据进行，生成签名需要消耗大量的通信资源，签名的效率还是很低，依然难以用于实际的数字签名场景。为此，我们提出一种基于偏振编码的量子数字签名系统及方法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偏振编码的量子数字签名系统及方法，解决了现在通用的数字签名方案是基于非对称密码系统，随着量子计算机的发展将会逐渐无法保障安全性的问题；而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。

本发明在每次签名都更新哈希函数，对于消息的长度没有限制，这样消耗的通信资源有限，提升了数字签名的效率，增强了实用性；同时，本发明在生成安全密钥时，采用偏振编码的BB84协议方式生成安全密钥，在物理原理的层面上保证了密钥的无条件安全，利用无条件安全的密钥生成的数字签名，进而保证无条件安全。

技术方案：本发明一种基于偏振编码的量子数字签名系统，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；