[发明专利]基于玻色采样随机幺正操作的仲裁量子签名方法

说明书

本发明公开了一种基于玻色采样随机幺正操作的仲裁量子签名方法，包括初始化阶段、签名阶段和验证阶段；初始化阶段用于制备密钥和建立通信系统；签名阶段用于选择合适的签名算法设计传输信息的签名；验证阶段用于验证签名者的有效性和原始信息的完整性和真实性。本发明在仲裁量子签名中设计传输信息的签名中采用基于玻色采样的幺正操作加密，采用基于图上的量子游走隐形传输转移m模量子态，用于隐形传输的必需纠缠态无需提前制备，公共信道和随机元组的雇用使得安全性更高，采用玻色采样模型和量子游走的隐形传输模型均已被证明可通过线性光学网络实现；因此本发明方法安全性高，节约资源且实验上易实现。

技术领域

本发明属于量子通信领域，具体涉及一种基于玻色采样随机幺正操作的仲裁量子签名方法。

背景技术

随着信息技术的发展，电子认证已经成为了人们日常生产和生活中最重要的环节之一。

在充满矛盾和利益冲突的现实社会里，各种身份的假冒欺诈行为、消息的伪造与篡改等现象大量存在。为了减少或规避这些情况的发生，需要建立可靠的认证系统。构建认证系统的目的主要包含两点：第一：验证用户的身份，防止假冒和抵赖；第二：验证消息来源的真实性和消息的完整性，避免消息被否认、伪造以及篡改等。

签名是认证领域中一个重要的概念，其可以同时完成身份认证和消息认证。当前，经典数字签名已经被广泛研究且被应用在电子交易、电子商务和电子医疗等安全领域。但是，由于经典签名方案的安全性主要取决于构造密码算法所依赖的难解的数学问题，例如大整数分解和离散对数，而这些数学问题已被证实很容易被量子算法破解，如Shor的量子算法。于是，面对未来强大的量子计算机，这些经典签名方案将不再安全。此外，数字签名不能实现对量子信息的签名。加之相比于经典系统，量子系统对信息的存储能力是随着比特数目增加呈指数增长的。因此，为了确保量子通信系统中以签名的方式安全通信，需要量子签名，它的安全性是由量子力学原理如量子不可克隆定理和海森堡不确定原理所保证，与攻击者本身的计算能力无关。在未来强大的量子计算机面前，量子签名仍可确保通信双方安全地通信。与经典签名类似，量子签名也可区分为真实量子签名和仲裁量子签名，有学者指出无条件安全的两方量子签名(即真实量子签名)是不可能的，且仲裁量子签名更加实用。

目前，仲裁量子签名协议已经在离散和连续场景中得到了广泛的研究。然而，已存在的大多数仲裁量子签名协议易遭受来自不同方面的抵赖和伪造攻击，其关键原因在于所使用的量子一次一密密码算法：其一，量子一次一密以一个量子比特对应一个量子比特的方式加密信息；其二，量子一次一密中所使用的泡利加密操作包含互易特性。这两个特点使得有敌意的参与者可以很容易定位量子比特的位置并进行修改，进而实施可能的抵赖和伪造攻击。

发明内容

本发明的目的在于提供一种安全性高、效率高且近期设备可实现的基于玻色采样随机幺正操作的仲裁量子签名方法。

本发明提供的这种基于玻色采样随机幺正操作的仲裁量子签名方法，包括如下步骤：

初始化阶段：

S1.仲裁者和签名者制备第一密钥K_a，同时仲裁者和验证者制备第二密钥K_b；

S2.密钥制备完成后，建立通信系统；

签名阶段：

S3.签名者随机选择一系列包括n个光子的m模量子态|ψ(也称为n单光子Fock态)；

S4.签名者随机选择一个随机元组r＝(r₁,r₂,…,r_m)，并使用随机元组r将步骤S3中的m模量子态|ψ的三个必要的副本转换为三个秘密的量子序列|ψ′；r为(1,2,…,m)可能排列中的一种；

S5.签名者使用第一密钥转换步骤S4得到的量子序列|ψ′的第一个副本为|S_a；