基于轨道角动量编码的自由空间量子数字签名系统及方法

技术特征：
1.基于轨道角动量编码的自由空间量子数字签名系统，其特征在于，包括发送端alice、接收端bob和接收端charlie；所述发送端alice，用于生成密钥信息，将密钥信息加载在量子信号光上，分别发送至接收端bob、接收端charlie，还基于所述密钥信息对比特消息进行签名，并发送至接收端bob；所述接收端bob，用于对接受的量子信号光进行解码，生成自身的密钥信息，基于此对比特消息的签名进行验证；所述接收端charlie，用于对接受的量子信号光进行解码，生成自身的密钥信息。2.根据权利要求1所述的基于轨道角动量编码的自由空间量子数字签名系统，其特征在于，所述发送端alice包括：激光器1，用于产生高斯脉冲光；50：50分束器1，用于将高斯脉冲光均分为两部分，分别输入液晶空间光调制器1和液晶空间光调制器2；经典计算机1，用于生成随机经典串，并将其分别发送至稳压电源1、稳压电源2；稳压电源1，用于控制液晶空间光调制器1对高斯脉冲光的空间相位进行调制得到信号光1；稳压电源2，用于控制液晶空间光调制器2对高斯脉冲光的空间相位进行调制得到信号光2；可调光衰减器1和可调光衰减器2，分别用于将信号光1、信号光2衰减至量子化水平得到量子信号光1和量子信号光2；准直透镜1和准直透镜3，分别用于对量子信号光1、量子信号光2进行聚焦，并将聚焦后的量子信号光1发送至接收端bob，将聚焦后的量子信号光2发送至接收端charlie。3.根据权利要求2所述的基于轨道角动量编码的自由空间量子数字签名系统，其特征在于，所述接收端bob包括：准直透镜2，用于对接收的量子信号光1进行聚焦；偏振分束器1，用于将聚焦的量子信号光1与基模辅助光进行干涉；ccd检测器1，用于对干涉结果进行检测；经典计算机2，用于根据检测结果生成密钥；所述接收端charlie包括：准直透镜4，用于对接收的量子信号光2进行聚焦；偏振分束器2，用于将聚焦的量子信号光2与基模辅助光进行干涉；ccd检测器2，用于对干涉结果进行检测；经典计算机3，用于根据检测结果生成密钥。4.根据权利要求3所述的基于轨道角动量编码的自由空间量子数字签名系统，其特征在于，还包括：激光器2，用于生成高斯脉冲光；扩束器，用于对高斯脉冲光进行扩束；50：50分束器2，用于将扩束后的高斯脉冲光均分为两部分，作为基模辅助光分别输入偏振分束器1、偏振分束器2。
5.根据权利要求3所述的基于轨道角动量编码的自由空间量子数字签名系统，其特征在于，还包括量子信道，所述量子信道为大气信道和经典信道；所述准直透镜1通过大气信道与准直透镜2连接，所述准直透镜3通过大气信道与准直透镜4连接；所述经典计算机1、经典计算机2、经典计算机3通过经典信道依次连接。6.使用权利要求1～5任一项所述的基于轨道角动量编码的自由空间量子数字签名系统进行量子数字签名的方法，其特征在于，包括以下步骤：密钥分发阶段：发送端alice生成比特消息对应的密钥消息，并基于轨道角动量将其编码在量子信号光中，分别发送至接收端bob、接收端charlie，接收端bob、接收端charlie对接收的量子信号光进行解码得到各自的密钥；消息传递阶段：发送端alice利用密钥对比特消息进行签名，将获得的经典三元组发送至接收端bob，接收端bob用其密钥对经典三元组进行验证，验证通过后将其发送至接收端charlie进行验证，接收端charlie验证通过即协议成功；若任一接收端验证失败，则协议终止。7.根据权利要求6所述的基于轨道角动量编码的自由空间量子数字签名方法，其特征在于，所述密钥分发阶段具体包括以下步骤：s1，经典计算机1生成比特消息对应的密钥，并将其分别发送至稳压电源1、稳压电源2，对输出电驱动信号的电压值进行调节；s2，50：50分束器1将激光器1生成的高斯脉冲光均分为两部分，分别入射液晶空间光调制器1、液晶空间光调制器2，稳压电源1控制液晶空间光调制器1对入射信号光进行空间调制，稳压电源2控制液晶空间光调制器2对入射信号光进行空间调制；s3，可调光衰减器1对调制结果进行衰减后通过准直透镜1将其发送至接收端bob，可调光衰减器2对调制结果进行衰减后通过准直透镜3将其发送至接收端charlie；s4，接收端bob利用准直透镜3对入射信号光进行聚焦后，利用偏振分束器1将其与基模辅助光干涉，然后使用ccd检测器1对干涉结果进行检测，将检测结果记录在经典计算机2中，经典计算机2据此得到接收端bob的原始密钥信息；接收端charlie利用准直透镜4对入射信号光进行聚焦后，利用偏振分束器2将其与基模辅助光干涉，然后使用ccd检测器2对干涉结果进行检测，将检测结果记录在经典计算机3中，经典计算机3据此得到接收端charlie的原始密钥信息。8.根据权利要求7所述的基于轨道角动量编码的自由空间量子数字签名方法，其特征在于，所述密钥分发阶段还包括：s5，接收端bob与接收端charlie随机从其原始密钥中抽取一半的元素，发送给对方，接收端bob与接收端charlie均将自身原始密钥的一半元素与接收的密钥元素共同组成最终的密钥信息。9.根据权利要求6所述的基于轨道角动量编码的自由空间量子数字签名方法，其特征在于，所述消息传递阶段具体包括以下步骤：s6，发送端alice利用密钥对比特消息进行签名得到经典三元组，并通过经典信道将其发送至接收端bob；s7，接收端bob将自身的密钥与经典三元组中的签名进行对比，并记录不匹配元素数
量，若两部分密钥的不匹配数量均小于s
b
l/2，则接收端bob接收经典三元组信息，并将其发送至接收端charlie，执行s8，否则，拒绝接收消息，协议失败；s8，接收端charlie将自身的密钥与经典三元组中的签名进行对比，并记录不匹配元素数量，若两部分密钥的不匹配数量均小于s
c
l/2，则接收端bob接收经典三元组信息，协议成功，否则，拒绝接收消息，协议失败；s
b
表示接收端bob的安全阈值，s
c
表示接收端charlie的安全阈值，l表示经典串的总长度。

技术总结
本发明公开了一种基于轨道角动量编码的自由空间量子数字签名系统及方法，所述方法包括：密钥分发阶段，发送端Alice生成密钥消息，并将其编码在量子信号光中，分别发送至接收端Bob和接收端Charlie，接收端Bob和接收端Charlie解码获得各自的密钥；消息传递阶段，发送端Alice用密钥对比特消息进行签名，然后将其发送至接收端Bob，接收端Bob对其进行验证，验证通过时，接收消息并将其发送至接收端Charlie，验证失败时，拒绝接收消息，接收端Charlie同样进行验证，接收或拒绝接收消息，协议结束；本发明的系统结构简单、安全性高，信道容量大，测量简便、准确性高。准确性高。准确性高。


技术研发人员：阮新朝 张航 李周 罗勇 王志鹏 吴昊
受保护的技术使用者：中南大学
技术研发日：2022.03.23
技术公布日：2022/6/28