[实用新型]一种量子数字签名系统

说明书

技术领域

本实用新型涉及光传输信息安全技术领域，尤其涉及一种量子数字签名系统。

背景技术

量子通信是密码学与量子力学交叉的前沿学科，是以量子力学的基本原理为基础确保实现信息理论条件下安全的各种密码学任务。随着量子信息技术的不断进步，特别是超级的经典计算机与量子计算机的深入研究，经典密码学中广泛使用的以计算复杂度难题为安全基础的各种密码学协议，如公钥加密算法RSA、高级加密标准AES等的安全性将会受到巨大的挑战。

例如，在2009年12月12日，编号为RSA-768(768-bit,232-digitnumber)数被成功分解[AdvancesinCryptology--CRYPTO2010,pp333-350]。2007年2月，加拿大的D-waveSystems公司公布了其使用16个约瑟夫森结制成量子计算机，并在美国进行了数读运算演示；其后，更在11月公布了由28个量子比特构成的集成电路；此后，在2011年5月11日，D-waveSystems公司声称制造出了内嵌128量子比特处理器的完整的量子计算机，并在5月20日以单台一千万美元的价格面向市场发售。2013年5月，谷歌和NASA(美国国家航空和宇宙航行局)一起，对由D-WaveSystems公司制造的超级计算机进行了联合投资；这台超级计算机名为D-Wave2，据说每颗芯片上都有512量子比特处理器，比目前Intel最快的芯片都还要快上11000倍。虽然D-Wave计算机并不是真正意义上的量子计算机，但是，在某些任务的执行方面，如特定的量子模拟问题上是非常强大的。为此，基于量子力学基本原理的各种量子通信协议的发展是紧迫而且必要的。

经典的密码学包含各种任务，其中最重要的两种是加解密和数字签名任务。加解密确保通信的安全传输，数字签名确保信息的完整性、不可篡改性和不可抵赖性。基于量子密钥分发技术的量子保密通信可以解决加解密安全传输的任务，经过三十多年的发展量子密钥分发技术已经比较成熟了，目前在美国、欧盟、中国和日本都基于量子密钥分发技术建立了各自的量子保密通信网络试验床，为大规模应用的安全通信铺平了道路。然而，同样以量子力学基本原理为基础的量子数字签名的发展还相当迟缓。美国专利申请US20020199108A1公布了第一个量子数字签名方案，由于该方案面临四个难以实现的技术挑战，即认证的量子信道、长时间的量子存储、制备和传输复杂单向函数量子态、复杂单向函数的交换测试，至今没有得到实验演示。鉴于上述量子难题，美国《物理评论快报》(Phys.Rev.Lett.112,040502(2014))提出了不需要量子存储的量子数字签名方案，该方案使用激光相干态作为量子态，结合多端干涉对称化克服了上述四个技术挑战的后三个，但是，该方案要求实现远距离的单光子等臂干涉技术挑战，同时存在不能抵御相干攻击的安全性问题。

量子密钥分发实现无条件安全密钥生成的一个重要优势就是量子信道没有被认证而可以经受各种攻击。然而，由于现有的各种量子数字签名协议都需要以认证量子信道(即量子信道是安全的)为假设的重要前提，即经过量子信道传输的量子态不能被篡改和完美识别，因此与量子密钥分发相比，当前的各种量子数字签名协议是难以实现的。

实用新型内容

为了解决现有量子数字签名需要以认证量子信道为假设的难题，本实用新型提出了一种量子数字签名系统，克服了现有量子数字签名方案的全部技术挑战。

本实用新型提出的一种量子数字签名系统，包括：消息签名模块、消息认证模块、消息验证模块，其中，消息签名模块与消息认证模块通过第一量子信道连接，消息签名模块与消息验证模块通过第二量子信道连接；

消息签名模块包括光源、第一偏振控制器、第一环形器、第一偏振分束器、第一相位调制器、分束器；光源连接第一偏振控制器的一端，第一环形器的第一端口连接第一偏振控制器的另一端，第一环形器的第二端口连接第一偏振分束器的第一端口，第一偏振分束器的第二端口连接第一相位调制器的一端，第一相位调制器的另一端口连接第一偏振分束器的第三端口，第一环形器的第三端口连接分束器的第一端口，分束器的第二端口连接第一量子信道的一端，分束器的第三端口连接第二量子信道的一端；