(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210176320.7 (22)申请日 2022.02.25 (71)申请人 中南大学 地址 410083 湖南省长 沙市岳麓区岳麓山 左家垅 (72)发明人 施荣华　赵微　石金晶　冯艳艳　 (74)专利代理 机构 西安知诚思 迈知识产权代理 事务所(普通 合伙) 61237 专利代理师 高喜凤 (51)Int.Cl. H04L 9/08(2006.01) H04L 9/32(2006.01) H04B 10/70(2013.01) (54)发明名称 基于轨道角动量的量子数字签名系统及方 法 (57)摘要 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。 权利要求书3页 说明书8页 附图1页 CN 114793157 A 2022.07.26 CN 114793157 A 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C harlie； 所述接收方Bob与接收方C harlie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Al ice、 接收方Bob、 接收方C harlie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C harlie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C harlie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C harlie； 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获得量子数字签名权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114793157 A 2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， 表示有效编码率， L表示经典串长度， QABj表示发送方Alice与接收方Bob对 基后编码的字符串， QACj表示发送方Alice与接收方Charlie对基后编码的字符串， QSBj表示 接收方Bob与发送方Alice对基后编码的字符串， QSCj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C harlie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Char lie， 接收方Charlie签名验证成 功后接收信息， 接收方Bob或接收方C harlie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|αk>＝|α ei(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， jA表示经典串中 的元素 数目变量， jA＝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的最终权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114793157 A 3