[发明专利]一种具有态制备误差容忍功能的量子数字签名方法

说明书

本发明针对量子数字签名中的源端态制备误差的问题，提出了一种具有态制备误差容忍功能的量子数字签名方法，以提高系统的整体安全性。由于实际设备器件和实验条件限制，光源端态制备时会不可避免地引入一定误差，传统的量子数字签名方法无法消除态制备误差带来的影响，进而导致签名率的显著降低和传输距离的缩短。本发明采用态制备误差容忍方案，避免了实际应用中由于态制备装置的不理想可能引入的安全性漏洞,可以更精确地估计相位误码，降低光源态制备误差带来的影响。相比于传统量子数字签名方法，提高了现实条件下量子数字签名系统对态制备误差的鲁棒性，增强了量子数字签名系统的实际性能。

技术领域

本发明是一种新型光源态制备误差容忍的量子数字签名方法，具体涉及量子数字签名技术，属于量子通信领域。

背景技术

数字签名是现代密码学的一个重要分支，主要用于确认发送方的身份信息以及保证消息的正确性和完整性，在多种通信任务中广泛使用。传统的手写签名是直接签署在书面文件上，这种方式下签名的真实性无法得到保证。而数字签名是双方通过摘要算法来比对签名信息，和传统签名相比，准确性得到大幅提升。数字签名可以确保以下特性：数字邮件是由声明的发送方所创建（真实性）；邮件信息未被更改（完整性）；发送方不能否认已发送的邮件（不可否认性）。然而随着计算机能力的提升，经典数字签名使用寿命的期限将会进一步缩短，量子数字签名成为当今研究的热点。

量子数字签名（Quantum Digital Signature，QDS）技术，其安全性不再来源于数学问题的求解，而是和量子物理的原理有关，是借助量子力学基本原理来实现QDS的无条件安全性。

目前的量子数字签名协议中存在的问题是，对于光源部分存在态制备完美的假设，而态制备缺陷是普遍存在的实验问题。具体来讲，QDS系统中的光源并不是真正的单光子光源，并且用于编码的光学器件存在精确度上的局限性从而引入一些误差。针对这一量子数字签名的现实安全性缺陷，即光源端态制备误差，本发明提出了态制备误差容忍方案，进一步提高QDS的实用性能。

发明内容

本发明目的在于解决目前QDS系统中的光源态制备误差问题，提出一种对态制备误差具有较好的容忍性的新方法，可以减少因态制备误差引入的光源端缺陷，从而增强QDS的安全性，提高实用性能。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：将态制备误差容忍分析方法与传统量子数字签名方法结合，能够更加精确的进行相位误码估计，大大降低因器件限制而导致的光源态制备误差带来的影响。具体流程如下：

本发明的一种具有态制备误差容忍功能的量子数字签名方法，包括如下步骤：

步骤1，采用三态BB84协议，使用参数来刻画发射端Alice在随机制备量子态时由于设备存在缺陷所产生的误差大小，Alice制备的三个存在误差的量子态表示为如下形式：

（15）

其中和即为制备量子态和时所产生的误差大小，在后面仿真计算时，为了方便起见，统一记为，且；

步骤2，定义虚拟协议，在虚拟协议当中，Alice在Z基下制备初始量子态，其中A_e代表Alice的扩展系统，B代表要发送给Bob的系统；A是虚拟的量子比特系统；Alice发射量子态给Bob，Alice选择X基去测量系统A，Bob同样选择X基去测量系统B，分别测得比特值和的联合概率，即虚拟计数率；

步骤3，定义为真实协议中Z基上的相位误码率，并定义虚拟协议安全性等价于真实协议，且虚拟协议X基上的比特误码率等价于真实协议中Z基上的相位误码率,即；

在虚拟协议中，X基上的比特误码率的计算表达式如下：

（7）

步骤4，根据最小熵和系统本身造成的误码上界求解签名所需要的脉冲数N，再根据公式：

即可得到本方案的签名率大小，其中，N表示签名半比特信息所需要的最小脉冲数。