基于轨道角动量的量子数字签名系统及方法

技术特征：
1.基于轨道角动量的量子数字签名系统，其特征在于，包括发送方alice、接收方bob和接收方charlie；所述发送方alice，用于生成两部分加载有轨道角动量的信号光，分别发送至接收方bob、接收方charlie；所述接收方bob与接收方charlie结构相同，均包括：偏振分束器，用于将自身生成的加载有轨道角动量的信号光与接收的信号光进行干涉；电荷耦合器，用于对干涉结果进行成像检测，并基于检测结果与发送方alice进行对基，获得发送方alice、接收方bob、接收方charlie的量子数字签名；所述发送方alice分别通过自由空间链路与接收方bob、接收方charlie连接，所述接收方bob通过经典加密信道与接收方charlie连接。2.根据权利要求1所述的基于轨道角动量的量子数字签名系统，其特征在于，所述发送方alice包括：连续波脉冲激光器，用于产生连续波激光束；振幅调制器和相位调制器，用于调制连续波激光束的振幅和相位，制得含有四种离散量子态的信号光；可变光衰减器，用于将信号光的功率衰减至量子水平；分束器，用于将量子水平的信号光均分为两部分，分别发送至空间光调制器；随机数产生器，用于产生随机数；空间光调制器，用于根据随机数对信号光进行调制，获得加载有轨道角动量的信号光。3.根据权利要求1所述的基于轨道角动量的量子数字签名系统，其特征在于，所述接收方bob和接收方charlie还包括：连续波脉冲激光器，用于产生连续波激光束；振幅调制器和相位调制器，用于调制连续波激光束的振幅和相位，制得四种离散量子态；可变光衰减器，用于将离散量子态的功率衰减至量子水平获得信号光；随机数产生器，用于产生随机数；空间光调制器，用于根据随机数对信号光进行调制，获得加载有轨道角动量的信号光。4.使用如权利要求1-3任一项所述的基于轨道角动量的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：步骤s1，发送方alice生成两部分加载有轨道角动量的信号光，将其分别发送至接收方bob、接收方charlie；步骤s2，接收方bob将自身生成的加载有轨道角动量的信号光与接收的信号光进行干涉检测，基于检测结果与发送方alice进行对基，对基完成后发送方alice获得量子数字签名接收方bob获得初始量子数字签名接收方charlie将自身生成的加载有轨道角动量的信号光与接收的信号光进行干涉检测，基于检测结果与发送方alice进行对基，对基完成后发送方alice获得量子数字签名
接收方charlie获得初始量子数字签名其中j表示对基后编码的字符串的数目变量，表示对基后编码的字符串的总数，表示对基后编码的字符串的总数，表示有效编码率，l表示经典串长度，qa
bj
表示发送方alice与接收方bob对基后编码的字符串，qa
cj
表示发送方alice与接收方charlie对基后编码的字符串，qs
bj
表示接收方bob与发送方alice对基后编码的字符串，qs
cj
表示接收方charlie与发送方alice对基后编码的字符串；步骤s3，接收方bob与接收方charlie进行签名交换，获得最终的量子数字签名；步骤s4，发送方alice利用其量子数字签名对单比特信息进行签名后，将其发送至接收方bob，接收方bob签名验证成功后，将其发送至接收方charlie，接收方charlie签名验证成功后接收信息，接收方bob或接收方charlie签名验证失败则信息传送失败。5.根据权利要求4所述的基于轨道角动量的量子数字签名方法，其特征在于，所述加载有轨道角动量的信号光的制备过程如下：将连续波脉冲激光器制备的连续波激光束依次输入振幅调制器和相位调制器，分别调制连续波激光束的振幅和相位制得离散量子态|α
k
>＝|αe
i(2k 1)π/4
>的信号光，再使用可变光衰减器将信号光的功率衰减至量子水平；其中α表示离散量子态的振幅，i表示复变量，k∈{0,1,2,3}，(2k 1)π/4表示各离散量子态的相位；基于随机数产生器生成的随机数，空间光调制器对衰减后的信号光进行调制，获得加载有轨道角动量的信号光，其中的离散量子态为其中r(r,z)表示离散量子态的振幅，r表示径向半径，z表示传输距离，l表示轨道角动量的拓扑荷，φ表示角度坐标，表示经典串中的元素，j
a
表示经典串中的元素数目变量，j
a
＝1,2,
…
,l，l1表示拓扑荷数为1的轨道角动量模，l4表示拓扑荷数为4的轨道角动量模。6.根据权利要求4所述的基于轨道角动量的量子数字签名方法，其特征在于，所述对基过程如下：查看检测结果是否为亮斑，若为暗斑，则舍弃此时间窗下的信号光；若为亮斑，则检测此时间窗下信号光的量子态，若量子态为|l1>和|-l1>，则将签名编码为1，若量子态为|l4>和|-l4>，则将签名编码为0。7.根据权利要求4所述的基于轨道角动量的量子数字签名方法，其特征在于，所述签名交换过程如下：接收方bob从初始量子数字签名中随机选择个元素，发送至接收方charlie，charlie从初始量子数字签名中随机选择个元素，发送至接收方bob，此时接收方bob的最终量子数字签名为接收方charlie的最终
量子数字签名为量子数字签名为表示接收方bob保留的字符串元素，表示接收方charlie发送给接收方bob的字符串元素，表示接收方charlie保留的字符串元素，表示接收方bob发送给接收方charlie的字符串元素。8.根据权利要求7所述的基于轨道角动量的量子数字签名方法，其特征在于，所述签名验证的过程如下：接收方bob检测自身的量子数字签名与发送方alice的量子数字签名的错配率，若两部分签名的错配率均小于则签名验证成功，接收信息，并将该信息发送至接收方charlie；否则签名验证失败，接收方bob拒绝接收信息，并停止协议；接收方charlie检测自身的量子数字签名与发送方alice的量子数字签名的错配率，若两部分签名的错配率均小于则签名验证成功，接收信息；否则签名验证失败，接收方charlie拒绝接收信息，并停止协议。

技术总结
本发明公开了一种基于轨道角动量的量子数字签名系统及方法，所述方法包括以下步骤：步骤S1，发送方生成两部分加载有轨道角动量的信号光，分别发送至两个接收方；步骤S2，两个接收方均生成加载有轨道角动量的信号光，并将其与接收的信号光进行干涉检测，基于检测结果与发送方对基，获得各自的初始量子数字签名；步骤S3，两个接收方进行签名交换，获得最终的量子数字签名；步骤S4，发送方用其量子数字签名对信息进行签名，然后将其发送至接收方进行签名验证；本发明的编码-解码过程容易、计算量小、签名获取效率高。签名获取效率高。签名获取效率高。


技术研发人员：施荣华 赵微 石金晶 冯艳艳
受保护的技术使用者：中南大学
技术研发日：2022.02.25
技术公布日：2022/7/26