量子签名系统以及方法
阅读：529发布：2024-02-17
专利汇可以提供量子签名系统以及方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种量子签名系统以及方法，本发明技术方案通过签名发送端出射两组待认证激光 信号 ，待认证激 光信号 包括多路量子信号以及一路消息信号，同一组待认证激光信号中，量子信号具有不同的光纤模式。认证端接收一组待认证激光信号，通过测量量子信号以及消息信号，可以生成第一测量结果。签名接收端接收另一组待认证激光信号，通过测量量子信号以及消息信号，可以生成第二测量结果，签名接收端可以基于第一测量结果与第二测量结果，确定待认证激光信号是否满足设定签名条件。，下面是量子签名系统以及方法专利的具体信息内容。
1.一种量子签名系统，其特征在于，所述量子签名系统包括：
签名发送端，所述签名发送端用于出射两组待认证激光信号；所述待认证激光信号包括多路量子信号以及一路消息信号；同一组所述待认证激光信号中，所述量子信号具有不同的光纤模式；
认证端，所述认证端用于接收一组所述待认证激光信号，测量所述量子信号以及所述消息信号，生成第一测量结果，并将所述第一测量结果公布；
签名接收端，所述签名接收端用于接收另一组所述待认证激光信号，测量所述量子信号以及所述消息信号，生成第二测量结果，基于所述第一测量结果与所述第二测量结果，确定所述待认证激光信号是否满足设定签名条件。
2.根据权利要求1所述的量子签名系统，其特征在于，所述签名发送端包括：
光源模块，所述光源模块用于出射初始激光信号；
分光模块，所述分光模块用于将所述初始激光信号分为多路第一激光信号；
调制转换模块，所述调制转换模块至少用于将所述第一激光信号转换为所述量子信号。
3.根据权利要求2所述的量子签名系统，其特征在于，所述光源模块包括一激光器，所述激光器用于出射所述初始激光信号；
所述分光模块用于将所述初始激光信号分为N+1路所述第一激光信号，N为正整数；
所述调制转换模块用于将N路所述第一激光信号对应转换为N路所述量子信号，将另外一路所述第一激光信号转换为所述消息信号；所述消息信号与所述量子信号的光纤模式不同。
4.根据权利要求3所述的量子签名系统，其特征在于，所述调制转换模块包括：N个第一子单元、一个第二子单元以及第一模式复用器；
其中，所述第一子单元用于对入射第一激光信号进行量子调制以及光纤模式调制，出射一路所述量子信号；所述第二子单元用于对入射第一激光信号进行消息调制以及光纤模式调制，出射所述消息信号；所述第一模式复用器用于基于入射的N路所述量子信号以及一路所述消息信号出射两组所述待认证激光信号。
5.根据权利要求4所述的量子签名系统，其特征在于，所述第一子单元包括用于进行光纤模式调制的模式转换器以及用于进行量子调制的量子调制器；
所述第二子单元包括用于进行光纤模式调制的模式转换器以及用于进行消息调制的消息调制器。
6.根据权利要求3所述的量子签名系统，其特征在于，所述调制转换模块包括：N个量子调制器、一个消息调制器以及第一模式转换复用器；
其中，所述量子调制器用于对入射第一激光信号进行量子调制，出射一路所述量子信号；所述消息调制器用于对入射第一激光信号进行消息调制，出射所述消息信号；所述第一模式转换复用器基于入射的N路所述量子信号以及一路所述消息信号出射两组所述待认证激光信号。
7.根据权利要求2所述的量子签名系统，其特征在于，所述初始激光信号包括第一初始激光信号以及第二初始激光信号；所述光源模块包括：用于出射所述第一初始激光信号的第一激光器以及用于出射所述第二初始激光信号的第二激光器；
所述分光模块用于将所述第一初始激光信号分为N路第一激光信号，N为正整数；
所述调制转换模块用于将N路所述第一激光信号对应转换为N路所述量子信号，将所述第二初始激光信号转换为所述消息信号。
8.根据权利要求7所述的量子签名系统，其特征在于，所述调制转换模块包括：N个第一子单元、一个第二子单元以及第一模式复用器；
其中，所述第一子单元用于对入射第一激光信号进行量子调制以及光纤模式调制，出射一路所述量子信号；所述第二子单元用于对入射第二初始激光信号至少进行消息调制，出射所述消息信号；所述第一模式复用器用于将入射的N路所述量子信号和一路所述消息信号耦合，将耦合后的激光信号分为两束输出，或所述第一模式复用器用于将入射的N路所述量子信号耦合，将耦合后的激光信号分为两束输出。
9.根据权利要求8所述的量子签名系统，其特征在于，所述第一子单元包括用于进行光纤模式调制的模式转换器以及用于进行量子调制的量子调制器；
所述第二子单元包括用于进行光纤模式调制的模式转换器以及用于进行消息调制的消息调制器；所述第一模式复用器用于将入射的N路所述量子信号和一路所述消息信号耦合，将耦合后的激光信号分为两束输出；所述量子信号与所述消息信号的光纤模式不同；
或，所述第二子单元包括用于进行消息调制的消息调制器；所述第一模式复用器用于将入射的N路所述量子信号耦合，将耦合后的激光信号分为两束输出。
10.根据权利要求7所述的量子签名系统，其特征在于，所述调制转换模块包括：N个量子调制器、一个消息调制器以及第一模式转换复用器；
其中，所述量子调制器用于对入射第一激光信号进行量子调制，出射一路所述量子信号；所述消息调制器用于对入射第二初始激光信号进行消息调制，出射所述消息信号；所述第一模式转换复用器用于将入射的N路所述量子信号以及一路所述消息信号进行光纤模式转换，使得任意两路激光信号的光纤模式均不同，将模式转换后的信号耦合，将耦合后的激光信号分为两束输出，或所述第一模式转换复用器用于将入射的N路所述量子信号进行光纤模式转换，使得任意两路激光信号的光纤模式均不同，将模式转换后的信号耦合，将耦合后的激光信号分为两束输出。
11.根据权利要求2-10任一项所述的量子签名系统，其特征在于，同一组所述待认证激光信号包括N路所述量子信号以及一路所述消息信号，N为正整数；所述签名接收端包括第二模式复用器；
入射所述签名接收端的一组所述待认证激光信号中，N路所述量子信号以及所述消息信号耦合为一束激光信号入射所述第二模式复用器，所述消息信号与所述量子信号具有不同的光纤模式；所述第二模式复用器用于将入射的耦合激光信号分为N+1路不同光纤模式的激光信号；该N+1路不同光纤模式的激光信号中，对应所述消息信号的一路激光信号通过一对应模式转换器入射消息探测器进行测量，另外N路激光信号分别通过一对应模式转换器入射一对应量子探测器进行测量；
或，入射所述签名接收端的一组所述待认证激光信号中，N路所述量子信号耦合为一束激光信号入射所述第二模式复用器，所述消息信号入射消息探测器进行测量；所述第二模式复用器用于将入射的耦合激光信号分为与N路所述量子信号一一对应的N路不同光纤模式的激光信号，该N路激光信号分别通过一对应模式转换器入射一对应量子探测器进行测量。
12.根据权利要求2-10任一项所述的量子签名系统，其特征在于，同一组所述待认证激光信号包括N路所述量子信号以及一路所述消息信号，N为正整数；所述认证端包括第三模式复用器；
入射所述认证端的一组所述待认证激光信号中，N路所述量子信号以及所述消息信号耦合为一束激光信号入射所述第三模式复用器，所述消息信号与所述量子信号具有不同的光纤模式；所述第三模式复用器用于将入射的耦合激光信号分为N+1路不同光纤模式的激光信号；该N+1路不同光纤模式的激光信号中，对应所述消息信号的一路激光信号通过一对应模式转换器入射消息探测器进行测量，另外N路激光信号分别通过一对应模式转换器入射一对应量子探测器进行测量；
或，入射所述认证端的一组所述待认证激光信号中，N路所述量子信号耦合为一束激光信号入射所述第三模式复用器，所述消息信号入射消息探测器进行测量；所述第三模式复用器用于将入射的耦合激光信号分为与N路所述量子信号一一对应的N路不同光纤模式的激光信号，该N路激光信号分别通过一对应模式转换器入射一对应量子探测器进行测量。
13.根据权利要求2-10任一项所述的量子签名系统，其特征在于，同一组所述待认证激光信号包括N路所述量子信号以及一路所述消息信号，N为正整数；所述签名接收端包括第二模式转换复用器；
入射所述签名接收端的一组所述待认证激光信号中，N路所述量子信号以及所述消息信号耦合为一束激光信号入射所述第二模式转换复用器，所述消息信号与所述量子信号具有不同的光纤模式；所述第二模式转换复用器用于将入射的耦合激光信号分为N+1路激光信号，该N+1路激光信号中，其中一路对应所述消息信号，通过消息探测器进行测量，其他N路与N路所述量子信号一一对应，分别通过一量子探测器进行测量；
或，入射所述签名接收端的一组所述待认证激光信号中，N路所述量子信号耦合为一束激光信号入射所述第二模式转换复用器，所述消息信号入射消息探测器进行测量；所述第二模式转换复用器用于将入射的耦合激光信号分为N路激光信号，该N路激光信号与N路所述量子信号一一对应，分别通过一量子探测器进行测量。
14.根据权利要求2-10任一项所述的量子签名系统，其特征在于，同一组所述待认证激光信号包括N路所述量子信号以及一路所述消息信号，N为正整数；所述认证端包括第三模式转换复用器；
入射所述认证端的一组所述待认证激光信号中，N路所述量子信号以及所述消息信号耦合为一束激光信号入射所述第三模式转换复用器，所述消息信号与所述量子信号具有不同的光纤模式；所述第三模式转换复用器用于将入射的耦合激光信号分为N+1路激光信号，该N+1路激光信号中，其中一路对应所述消息信号，通过消息探测器进行测量，其他N路与N路所述量子信号一一对应，分别通过一量子探测器进行测量；
或，入射所述认证端的一组所述待认证激光信号中，N路所述量子信号耦合为一束激光信号入射所述第三模式转换复用器，所述消息信号入射消息探测器进行测量；所述第三模式转换复用器用于将入射的耦合激光信号分为N路激光信号，该N路激光信号与N路所述量子信号一一对应，分别通过一量子探测器进行测量。
15.一种量子签名方法，用于如权利要求1-14任一项所述的量子签名系统，其特征在于，所述量子签名方法包括：
签名发送端出射两组待认证激光信号；所述待认证激光信号包括多路量子信号以及一路消息信号；同一组所述待认证激光信号中，所述量子信号具有不同的光纤模式；其中，所述认证端测量接收的一组所述待认证激光信号，生成第一测量结果，并将所述第一测量结果公布，所述签名接收端测量接收的另一组所述待认证激光信号，生成第二测量结果；
所述签名接收端基于所述第一测量结果与所述第二测量结果，确定所述待认证激光信号是否满足设定签名条件。
量子签名系统以及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及量子通信技术领域，更具体的说，涉及一种量子签名系统以及方法。
背景技术
[0003] 由于经典数据签名协议并不是无条件安全的，于是人们基于量子特性提出了量子数字签名。现有的量子签名系统通信速率较低，不能满足目前通信对高带宽的需求。
发明内容
[0004] 有鉴于此，本发明技术方案提供了一种量子签名系统以及方法，提高了量子签名的通信速率，可以满足目前通信对高带宽的需求。
[0005] 为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
[0006] 一种量子签名系统，所述量子签名系统包括：
[0008] 认证端，所述认证端用于接收一组所述待认证激光信号，测量所述量子信号以及所述消息信号，生成第一测量结果，并将所述第一测量结果公布；
[0009] 签名接收端，所述签名接收端用于接收另一组所述待认证激光信号，测量所述量子信号以及所述消息信号，生成第二测量结果，基于所述第一测量结果与所述第二测量结果，确定所述待认证激光信号是否满足设定签名条件。
[0010] 优选的，在上述量子签名系统中，所述签名发送端包括：
[0012] 分光模块，所述分光模块用于将所述初始激光信号分为多路第一激光信号；
[0013] 调制转换模块，所述调制转换模块至少用于将所述第一激光信号转换为所述量子信号。
[0014] 优选的，在上述量子签名系统中，所述光源模块包括一激光器，所述激光器用于出射所述初始激光信号；
[0015] 所述分光模块用于将所述初始激光信号分为N+1路所述第一激光信号，N为正整数；
[0016] 所述调制转换模块用于将N路所述第一激光信号对应转换为N路所述量子信号，将另外一路所述第一激光信号转换为所述消息信号；所述消息信号与所述量子信号的光纤模式不同。
[0017] 优选的，在上述量子签名系统中，所述调制转换模块包括：N个第一子单元、一个第二子单元以及第一模式复用器；
[0018] 其中，所述第一子单元用于对入射第一激光信号进行量子调制以及光纤模式调制，出射一路所述量子信号；所述第二子单元用于对入射第一激光信号进行消息调制以及光纤模式调制，出射所述消息信号；所述第一模式复用器用于基于入射的N路所述量子信号以及一路所述消息信号出射两组所述待认证激光信号。
[0019] 优选的，在上述量子签名系统中，所述第一子单元包括用于进行光纤模式调制的模式转换器以及用于进行量子调制的量子调制器；
[0020] 所述第二子单元包括用于进行光纤模式调制的模式转换器以及用于进行消息调制的消息调制器。
[0021] 优选的，在上述量子签名系统中，所述调制转换模块包括：N个量子调制器、一个消息调制器以及第一模式转换复用器；
[0022] 其中，所述量子调制器用于对入射第一激光信号进行量子调制，出射一路所述量子信号；所述消息调制器用于对入射第一激光信号进行消息调制，出射所述消息信号；所述第一模式转换复用器基于入射的N路所述量子信号以及一路所述消息信号出射两组所述待认证激光信号。
[0023] 优选的，在上述量子签名系统中，所述初始激光信号包括第一初始激光信号以及第二初始激光信号；所述光源模块包括：用于出射所述第一初始激光信号的第一激光器以及用于出射所述第二初始激光信号的第二激光器；
[0024] 所述分光模块用于将所述第一初始激光信号分为N路第一激光信号，N为正整数；
[0025] 所述调制转换模块用于将N路所述第一激光信号对应转换为N路所述量子信号，将所述第二初始激光信号转换为所述消息信号。
[0026] 优选的，在上述量子签名系统中，所述调制转换模块包括：N个第一子单元、一个第二子单元以及第一模式复用器；
[0027] 其中，所述第一子单元用于对入射第一激光信号进行量子调制以及光纤模式调制，出射一路所述量子信号；所述第二子单元用于对入射第二初始激光信号至少进行消息调制，出射所述消息信号；所述第一模式复用器用于将入射的N路所述量子信号和一路所述消息信号耦合，将耦合后的激光信号分为两束输出，或所述第一模式复用器用于将入射的N路所述量子信号耦合，将耦合后的激光信号分为两束输出。
[0028] 优选的，在上述量子签名系统中，所述第一子单元包括用于进行光纤模式调制的模式转换器以及用于进行量子调制的量子调制器；
[0029] 所述第二子单元包括用于进行光纤模式调制的模式转换器以及用于进行消息调制的消息调制器；所述第一模式复用器用于将入射的N路所述量子信号和一路所述消息信号耦合，将耦合后的激光信号分为两束输出；所述量子信号与所述消息信号的光纤模式不同；
[0030] 或，所述第二子单元包括用于进行消息调制的消息调制器；所述第一模式复用器用于将入射的N路所述量子信号耦合，将耦合后的激光信号分为两束输出。
[0031] 优选的，在上述量子签名系统中，所述调制转换模块包括：N个量子调制器、一个消息调制器以及第一模式转换复用器；
[0032] 其中，所述量子调制器用于对入射第一激光信号进行量子调制，出射一路所述量子信号；所述消息调制器用于对入射第二初始激光信号进行消息调制，出射所述消息信号；所述第一模式转换复用器用于将入射的N路所述量子信号以及一路所述消息信号进行光纤模式转换，使得任意两路激光信号的光纤模式均不同，将模式转换后的信号耦合，将耦合后的激光信号分为两束输出，或所述第一模式转换复用器用于将入射的N路所述量子信号进行光纤模式转换，使得任意两路激光信号的光纤模式均不同，将模式转换后的信号耦合，将耦合后的激光信号分为两束输出。
[0033] 优选的，在上述量子签名系统中，同一组所述待认证激光信号包括N路所述量子信号以及一路所述消息信号，N为正整数；所述签名接收端包括第二模式复用器；
[0034] 入射所述签名接收端的一组所述待认证激光信号中，N路所述量子信号以及所述消息信号耦合为一束激光信号入射所述第二模式复用器，所述消息信号与所述量子信号具有不同的光纤模式；所述第二模式复用器用于将入射的耦合激光信号分为N+1路不同光纤模式的激光信号；该N+1路不同光纤模式的激光信号中，对应所述消息信号的一路激光信号通过一对应模式转换器入射消息探测器进行测量，另外N路激光信号分别通过一对应模式转换器入射一对应量子探测器进行测量；
[0035] 或，入射所述签名接收端的一组所述待认证激光信号中，N路所述量子信号耦合为一束激光信号入射所述第二模式复用器，所述消息信号入射消息探测器进行测量；所述第二模式复用器用于将入射的耦合激光信号分为与N路所述量子信号一一对应的N路不同光纤模式的激光信号，该N路激光信号分别通过一对应模式转换器入射一对应量子探测器进行测量。
[0036] 优选的，在上述量子签名系统中，同一组所述待认证激光信号包括N路所述量子信号以及一路所述消息信号，N为正整数；所述认证端包括第三模式复用器；
[0037] 入射所述认证端的一组所述待认证激光信号中，N路所述量子信号以及所述消息信号耦合为一束激光信号入射所述第三模式复用器，所述消息信号与所述量子信号具有不同的光纤模式；所述第三模式复用器用于将入射的耦合激光信号分为N+1路不同光纤模式的激光信号；该N+1路不同光纤模式的激光信号中，对应所述消息信号的一路激光信号通过一对应模式转换器入射消息探测器进行测量，另外N路激光信号分别通过一对应模式转换器入射一对应量子探测器进行测量；
[0038] 或，入射所述认证端的一组所述待认证激光信号中，N路所述量子信号耦合为一束激光信号入射所述第三模式复用器，所述消息信号入射消息探测器进行测量；所述第三模式复用器用于将入射的耦合激光信号分为与N路所述量子信号一一对应的N路不同光纤模式的激光信号，该N路激光信号分别通过一对应模式转换器入射一对应量子探测器进行测量。
[0039] 优选的，在上述量子签名系统中，同一组所述待认证激光信号包括N路所述量子信号以及一路所述消息信号，N为正整数；所述签名接收端包括第二模式转换复用器；
[0040] 入射所述签名接收端的一组所述待认证激光信号中，N路所述量子信号以及所述消息信号耦合为一束激光信号入射所述第二模式转换复用器，所述消息信号与所述量子信号具有不同的光纤模式；所述第二模式转换复用器用于将入射的耦合激光信号分为N+1路激光信号，该N+1路激光信号中，其中一路对应所述消息信号，通过消息探测器进行测量，其他N路与N路所述量子信号一一对应，分别通过一量子探测器进行测量；
[0041] 或，入射所述签名接收端的一组所述待认证激光信号中，N路所述量子信号耦合为一束激光信号入射所述第二模式转换复用器，所述消息信号入射消息探测器进行测量；所述第二模式转换复用器用于将入射的耦合激光信号分为N路激光信号，该N路激光信号与N路所述量子信号一一对应，分别通过一量子探测器进行测量。
[0042] 优选的，在上述量子签名系统中，同一组所述待认证激光信号包括N路所述量子信号以及一路所述消息信号，N为正整数；所述认证端包括第三模式转换复用器；
[0043] 入射所述认证端的一组所述待认证激光信号中，N路所述量子信号以及所述消息信号耦合为一束激光信号入射所述第三模式转换复用器，所述消息信号与所述量子信号具有不同的光纤模式；所述第三模式转换复用器用于将入射的耦合激光信号分为N+1路激光信号，该N+1路激光信号中，其中一路对应所述消息信号，通过消息探测器进行测量，其他N路与N路所述量子信号一一对应，分别通过一量子探测器进行测量；
[0044] 或，入射所述认证端的一组所述待认证激光信号中，N路所述量子信号耦合为一束激光信号入射所述第三模式转换复用器，所述消息信号入射消息探测器进行测量；所述第三模式转换复用器用于将入射的耦合激光信号分为N路激光信号，该N路激光信号与N路所述量子信号一一对应，分别通过一量子探测器进行测量。
[0045] 本发明还提供了一种量子签名方法，用于上述任一项所述的量子签名系统，所述量子签名方法包括：
[0046] 签名发送端出射两组待认证激光信号；所述待认证激光信号包括多路量子信号以及一路消息信号；同一组所述待认证激光信号中，所述量子信号具有不同的光纤模式；其中，所述认证端测量接收的一组所述待认证激光信号，生成第一测量结果，并将所述第一测量结果公布，所述签名接收端测量接收的另一组所述待认证激光信号，生成第二测量结果；
[0047] 所述签名接收端基于所述第一测量结果与所述第二测量结果，确定所述待认证激光信号是否满足设定签名条件。
[0048] 通过上述描述可知，本发明技术方案提供的量子签名系统以及方法中，通过签名发送端出射两组待认证激光信号，待认证激光信号包括多路量子信号以及一路消息信号，同一组待认证激光信号中，量子信号具有不同的光纤模式。认证端接收一组待认证激光信号，通过测量量子信号以及消息信号，可以生成第一测量结果。签名接收端接收另一组待认证激光信号，通过测量量子信号以及消息信号，可以生成第二测量结果，签名接收端可以基于第一测量结果与第二测量结果，确定待认证激光信号是否满足设定签名条件。附图说明
[0049] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0050] 图1为本发明实施例提供的一种量子签名系统的结构示意图；
[0051] 图2为本发明实施例提供的另一种量子签名系统的结构示意图；
[0052] 图3为本发明实施例提供的又一种量子签名系统的结构示意图；
[0053] 图4为本发明实施例提供的又一种量子签名系统的结构示意图；
[0054] 图5为本发明实施例提供的又一种量子签名系统的结构示意图；
[0055] 图6为本发明实施例提供的又一种量子签名系统的结构示意图；
[0056] 图7为本发明实施例提供的又一种量子签名系统的结构示意图；
[0057] 图8为本发明实施例提供的又一种量子签名系统的结构示意图；
[0058] 图9为本发明实施例提供的又一种量子签名系统的结构示意图；
[0059] 图10为本发明实施例通过时分复用降低探测器数量的原理示意图；
[0060] 图11为本发明实施例提供的一种通过分束器增加器件端口的原理示意图。
具体实施方式
[0061] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0062] 传统一种实现量子签名的方案需要认证量子信道，需要长时间的量子存储，需要制备和传输复杂单向函数量子态，需要复杂单向函数的交换测试，这四项巨大的技术挑战使得该方案至今无法用于实际应用当中。
[0063] 基于激光相干态作为量子态，结合多端口对称干涉仪实现量子签名的技术方案无需量子存储，克服了上述四项技术挑战，但是该技术方案要求实现远距离的单光子等臂干涉仪，技术难度很大，同时存在不能抵御相干攻击的安全性问题。
[0064] 基于量子密钥分发系统的量子数字签名方案，可以克服量子数字签名中需要认证的量子信道的要求，推动了量子签名的实用化发展，该方案采用YFC2016协议进行通信。实现该量子签名方案的量子签名系统包括：签名发送端、签名接收端以及认证端，通常分别称为Alice、Bob和Charlie。签名过程实现主要包括分发阶段、估计阶段以及消息阶段等三个阶段。该方案利用双光子四态或六态来进行量子签名。
[0065] 以双光子六态来进行描述，6个光子态分别为|H>、|V>、以及 这两个光子态可以
被分成12个集合：{|H>，|+>}、{|+>，|V>}、{|V>，|->}、{|->，|H>}、{|H>，|R>}、{|R>，|V>}、{|V>，|L>}、{|L>，|H>}、{|+>，|R>}、{|R>，|->}、{|->，|L>}以及{|L>，|+>}。其中，每个集合包括两个态，每个集合中的第一个态表示逻辑0，第二个态表示逻辑1。
被分成12个集合：{|H>，|+>}、{|+>，|V>}、{|V>，|->}、{|->，|H>}、{|H>，|R>}、{|R>，|V>}、{|V>，|L>}、{|L>，|H>}、{|+>，|R>}、{|R>，|->}、{|->，|L>}以及{|L>，|+>}。其中，每个集合包括两个态，每个集合中的第一个态表示逻辑0，第二个态表示逻辑1。
[0066] 分发阶段：对于每一个可能被签名的消息m＝0和m＝1，Alice制备包括N个单光子量子态序列的待认证激光信号。对于每一个量子态，Alice随机选择上述十二个集合中的一个，并制备该集合中两个非正交态中的一个。签名者Alice制备两份相同的待认证激光信号，一份发送给Bob，另一份通过不安全的(非认证的)量子信道发送给Charlie。对于每一个量子态，Bob和Charlie都是随机且独立的采用三个基矢{X,Y,Z}中的一个进行极化测量，基于测量结果，并存储相应的经典比特。当Bob和Charlie各自的探测器没有响应时，二者公布测量结果，Alice、Bob以及Charlie丢掉所有相应的数据，并保留剩余的M比特。对于每一个量子态，Alice通过经典信道公布其量子态是从哪个设定集合中选择的，Bob将其测量输出结果与该设定集合中的两个态做对比，如果其测量输出结果与该两个态中的一个是正交的，那么Bob可以确定被发送的是另一个态，表明一个确定性结果。否则，Bob确定这是一个非确定性的输出结果。令 代表Bob(Charlie)对于每一个接收到的量子态得到确定性结果的概率，在理想情况下， 注意，Bob和Charlie不公布他们是否收到确定性的结果。
[0067] 估计阶段：签名者Alice首先选择一个理想的接收者，比如Bob，同时将成为消息阶段的认证者。然后，Alice通知另一个接收者Charlie，随机选择Mt个比特作为用于估计关联的测试比特。同理，如果Alice选择Charlie为认证者，那么Alice也将通知Bob随机选择测试比特。Charlie公布测试比特的位置，且Alice公布这些测试比特的信息。Bob(Charlie)计算测试比特中确定性结果的不匹配率 或 变得过高时，参与者将宣布放弃协议。同时，当 或 与理想值Pc有较大偏差时，参与者也将宣布放弃协议。否则，Bob和Charlie分别公布不匹配率和概率 和 Alice、Bob以及Charlie只保留上述未测试比
特的信息，三者中未测试比特分别表示为SA,SB,SC。
特的信息，三者中未测试比特分别表示为SA,SB,SC。
[0068] 消息阶段，为了签一比特的消息m，Alice将发送消息m和其相应的比特串SA给认证者Bob，Bob检查SA和SB之间的不匹配率 是确定性结果的不匹配率。设定不确定性输出结果与Alice公布的比特信息自动匹配。如果不匹配率 (Ta是认证安全门限)，Bob就接受这条消息。否则，他将拒绝这条消息而且宣布终止协议。Bob接受这条消息之后，他将转发该消息及其相应的比特串SA给验证者Charlie。Charlie检验SA和SC之间的不匹配率是确定性结果的不匹配率。如果不匹配率 (Tv是认证安全门限)，Charlie将接受这条消息。否则，他将拒绝这条消息。
[0069] 目前YFC2016协议是量子签名最实用的方案。从以上的描述中可知，要签名一个消息比特，需要N个量子比特参与。这N个量子比特需要逐次从Alice发送给Bob。这严重影响了通信速率，有效通信时间只占1/(N+1)。当N＝9时，只有10％的时间用于通信。随着互联网技术的发展，人们对于通信带宽要求越来越高，当前量子签名的通信速率显然无法满足人们对带宽的需求。
[0070] 为了解决上述问题，本发明技术方案提供了一种利用空间模式编码的量子签名系统，使用不同的空间模式分别表示量子签名中需要的N个量子比特，N个比特同时传输，极大的提高了量子签名传输效率，提高了通信速率。
[0071] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0072] 参考图1，图1为本发明实施例提供的一种量子签名系统的结构示意图，该量子签名系统包括：签名发送端Alice、认证端Charlie以及签名接收端Bob。
[0073] 签名发送端Alice用于出射两组待认证激光信号；待认证激光信号包括多路量子信号以及一路消息信号；同一组待认证激光信号中，量子信号具有不同的光纤模式。两组待认证激光信号可以相同，可以通过分束器均分形成两组相同的待认证激光信号；两组待认证激光信号也可以相同，此时可以通过分束器使得两组待认证激光信号的强度信息不相同，其他信息相同。
[0074] 认证端Charlie用于接收一组待认证激光信号，测量量子信号以及消息信号，生成第一测量结果，并将第一测量结果公布。
[0075] 签名接收端Bob用于接收另一组待认证激光信号，测量量子信号以及消息信号，生成第二测量结果，基于第一测量结果与第二测量结果，确定待认证激光信号是否满足设定签名条件。
[0076] 本发明实施例量子签名系统中，签名发送端Alice包括：光源模块11，光源模块11用于出射初始激光信号；分光模块12，分光模块12用于将初始激光信号分为多路第一激光信号；调制转换模块13，调制转换模块13至少用于将第一激光信号转换为量子信号。
[0077] 在图1所示方式中，光源模块11包括一激光器，激光器用于出射初始激光信号；分光模块12用于将初始激光信号分为N+1路第一激光信号，N为正整数；调制转换模块13用于将N路第一激光信号对应转换为N路量子信号，将另外一路第一激光信号转换为消息信号；消息信号与量子信号的光纤模式不同。分光模块12包括分束器，具有N+1个输出端口以及一个输入端口，可以将入射的激光信号分为N+1路输出。可以通过调节分光模块12中分束器的数量以及组合关系调节其出射光路数量，可以为N+1路，也可以是下述实施例中的N路。第一激光信号与初始激光信号具有相同的光纤模式。
[0078] 在图1所示方式中，调制转换模块13包括：N个第一子单元131、一个第二子单元132以及第一模式复用器133；对应的，同一组待认证激光信号包括N路量子信号以及一路消息信号。其中，第一子单元131用于对入射第一激光信号进行量子调制以及光纤模式调制，出射一路量子信号；第二子单元132用于对入射第一激光信号进行消息调制以及光纤模式调制，出射消息信号。通过量子调制可以将激光信号调制为需要的量子态，通过光纤模式调制，可以将激光信号调制为需要的光纤模式。
[0079] 第一模式复用器133用于基于入射的N路量子信号以及一路消息信号出射两组待认证激光信号。第一模式复用器133可以将入射的N路量子信号以及一路消息信号耦合为一束，通过分束器将耦合后的激光信号分为两束，分别作为一组待认证激光信号。
[0080] 如图1所示，第一子单元131包括用于进行光纤模式调制的模式转换器以及用于进行量子调制的量子调制器；第二子单元132包括用于进行光纤模式调制的模式转换器以及用于进行消息调制的消息调制器。
[0081] 如上所述，同一组待认证激光信号包括N路量子信号以及一路消息信号。签名接收端Bob包括第二模式复用器21；入射签名接收端Bob的一组待认证激光信号中，N路量子信号以及一路消息信号耦合为一束激光信号入射第二模式复用器21，消息信号与量子信号具有不同的光纤模式。耦合激光信号可以通过一条对应的多模光纤传播，入射第二模式复用器21。第二模式复用器21用于将入射的耦合激光信号分为N+1路不同光纤模式的激光信号；该N+1路不同光纤模式的激光信号中，对应消息信号的一路激光信号通过一对应模式转换器
22入射消息探测器23进行测量，另外N路激光信号分别通过一对应模式转换器22入射一对应量子探测器24进行测量。
22入射消息探测器23进行测量，另外N路激光信号分别通过一对应模式转换器22入射一对应量子探测器24进行测量。
[0082] 图1所示方式中，认证端Charlie与签名接收端Bob结构相同，认证端Charlie包括第三模式复用器31；入射认证端Charlie的一组待认证激光信号中，N路量子信号以及一路消息信号耦合为一束激光信号入射第三模式复用器31，消息信号与量子信号具有不同的光纤模式。第三模式复用器31用于将入射的耦合激光信号分为N+1路不同光纤模式的激光信号；该N+1路不同光纤模式的激光信号中，对应消息信号的一路激光信号通过一对应模式转换器32入射消息探测器33进行测量，另外N路激光信号分别通过一对应模式转换器32入射一对应量子探测器34进行测量。可选的，具有多种光纤模式的耦合激光信号可以通过一条对应的多模光纤传播。
[0083] 签名发送端Alice中，光源模块11出射的初始激光信号的光纤模式为基模。通过分束模块12将初始激光信号分为N+1路的第一激光信号。第1路-第N路的第一激光信号作为量子比特(光强可能需要通过衰减器衰减，图1中未画出)，用于形成量子信号，第N+1路的第一激光信号用于形成消息信号。N路量子信号分别经过量子调制(调制过程如YFC2016协议规定)之后进行光纤模式调制，也可以先经过光纤模式调制，再进行量子调制。
[0084] 该方式中分光模块12具有N+1个输出端口，分别输出一路第一激光信号。如第1路的第一激光信号从分光模块12的第1个端口输出，经过对应的模式转换器以及对应的量子调制器后，调制为对应的光纤模式以及量子态，输入第一模式复用器133，分为两份分别入射第一多模光纤和第二多模光纤，以分别入射签名接收端Bob和认证端Charlie。第2路-第N路第一激光信号的传输以此类推。第N+1路的第一激光信号用于形成消息信号，该路第一激光信号经过消息调制之后加载需要传输的消息，经过光纤模式调制为对应的光纤模式，再输入第一模式复用器133分成两份，分别输入第一多模光纤和第二多模光纤，以分别入射签名接收端Bob和认证端Charlie。
[0085] 一组待认证激光信号中，不同光纤模式的光信号经过第一多模光纤传输至签名接收端Bob，先经过第二模式复用器21将不同光纤模式的信号分离，不同光纤模式的信号分别通过一个对应的模式转换器22转换为基模，转换成基模并分别进入不同的通道输出，以输入对应的量子探测器24或是消息探测器23进行测量。如第二模式复用器21的第一个第一端口输出第一模式的量子信号，通过对应模式转换器22转换为基模，输入到第一个量子探测器进行量子测量，依次类推，其第N个第一端口输出第N模式的量子信号，通过对应模式转换器22转换为基模，输入到第N个量子探测器进行量子测量，其第N+1个第一端口输出消息信号，通过对应模式转换器22转换为基模，输入到消息探测器23进行消息测量。
[0086] 另一组待认证激光信号中，不同光纤模式的光信号经过第二多模光纤传输到认证端Charlie，通过第三模式复用器31将不同光纤模式的信号分离。签名发送端Alice到认证端Charlie的信号传递原理可以参考签名发送端Alice到签名接收端Bob的信号传递原理，认证端Charlie对信号的测量原理可以参考签名接收端Bob的测量原理，在此不再赘述。
[0087] 图1所示量子签名系统服从YFC2016协议进行量子签名，分为上述三个阶段，在此不再具体说明。
[0088] 本发明实施例中，消息信号和量子信号可以分别基于不同的激光器出射的激光信号形成，不局限于图1所示一个激光器的方式。
[0089] 参考图2，图2为本发明实施例提供的另一种量子签名系统的结构示意图，该量子签名系统包括：签名发送端Alice、认证端Charlie以及签名接收端Bob。该方式中，初始激光信号包括第一初始激光信号以及第二初始激光信号；光源模块11包括：用于出射第一初始激光信号的第一激光器以及用于出射第二初始激光信号的第二激光器。分光模块12用于将第一初始激光信号分为N路第一激光信号，N为正整数。分光模块12包括分束器，用于将第一初始激光信号分为N路第一激光信号。分光模块12对第二初始激光信号不做处理。调制转换模块13用于将N路第一激光信号对应转换为N路量子信号，将第二初始激光信号转换为消息信号。
[0090] 图2所示方式中，调制转换模块13包括：N个第一子单元131、一个第二子单元132以及第一模式复用器133；其中，第一子单元131用于对入射第一激光信号进行量子调制以及光纤模式调制，出射一路量子信号；第二子单元132用于对入射第二初始激光信号至少进行消息调制，出射消息信号；第一模式复用器133用于将入射的N路量子信号和一路消息信号耦合，将耦合后的激光信号分为两束输出。
[0091] 图2所示方式中，第一子单元131包括用于进行光纤模式调制的模式转换器以及用于进行量子调制的量子调制器；第二子单元132包括用于进行光纤模式调制的模式转换器以及用于进行消息调制的消息调制器；第一模式复用器133用于将入射的N路量子信号和一路消息信号耦合，将耦合后的激光信号分为两束输出，分别作为一组待认证激光信号；量子信号与消息信号的光纤模式不同。
[0092] 图2中，认证端Charlie以及签名接收端Bob的实现方式与图1所示方式相同，在此不再赘述。
[0093] 参考图3，图3为本发明实施例提供的又一种量子签名系统的结构示意图，图3所示方式与图2所示方式不同在于，第一模式复用器133用于将入射的N路量子信号耦合，将耦合后的激光信号分为两束输出。此时，第二子单元132包括用于进行消息调制的消息调制器，无需设置模式转换器。消息调制器具有两个输出端口，出射两路消息信号，该消息调制器可以通过内部集成分束器将消息信号分为两路。消息调制器出射的两路消息信号分别通过第一消息光纤和第二消息光纤，入射签名接收端Bob和认证端Charlie。
[0094] 第一模式复用器133输出的两束耦合激光信号中，一束与消息探测器输出的一路消息信号构成一组待认证激光信号，另一束与消息探测器输出的另一路消息信号构成另一组待认证激光信号。
[0095] 图3所示方式中，同一组待认证激光信号包括N路量子信号以及一路消息信号，N为正整数；签名接收端Bob包括第二模式复用器21。入射签名接收端Bob的一组待认证激光信号中，N路量子信号耦合为一束激光信号入射第二模式复用器21，消息信号入射消息探测器23进行测量；第二模式复用器21用于将入射的耦合激光信号分为与N路量子信号一一对应的N路不同光纤模式的激光信号，该N路激光信号分别通过一对应模式转换器22入射一对应量子探测器24进行测量。
[0096] 图3所示方式中，同一组待认证激光信号包括N路量子信号以及一路消息信号，N为正整数；认证端Charlie包括第三模式复用器31。入射认证端Charlie的一组待认证激光信号中，N路量子信号耦合为一束激光信号入射第三模式复用器31，消息信号入射消息探测器33进行测量；第三模式复用器31用于将入射的耦合激光信号分为与N路量子信号一一对应的N路不同光纤模式的激光信号，该N路激光信号分别通过一对应模式转换器32入射一对应量子探测器34进行测量。
[0097] 参考图4，图4为本发明实施例提供的又一种量子签名系统的结构示意图，调制转换模块13包括：N个量子调制器、一个消息调制器以及第一模式转换复用器133a。其中，量子调制器用于对入射第一激光信号进行量子调制，出射一路量子信号。消息调制器用于对入射第二初始激光信号进行消息调制，出射消息信号；第一模式转换复用器133a用于将入射的N路量子信号以及一路消息信号进行光纤模式转换，使得任意两路激光信号的光纤模式均不同，将模式转换后的信号耦合，将耦合后的激光信号分为两束输出。图4所示实施方式相当于将图2中调制转换模块13进行了集成化处理，将调制转换模块13中各个模式转换器与第一模式复用器133集成为一个结构，构成所示第一模式转换复用器133a。
[0098] 图4所示方式中，同一组待认证激光信号包括N路量子信号以及一路消息信号，N为正整数；签名接收端Bob包括第二模式转换复用器；入射签名接收端Bob的一组待认证激光信号中，N路量子信号以及一路消息信号耦合为一束激光信号入射第二模式转换复用器，消息信号与量子信号具有不同的光纤模式；第二模式转换复用器用于将入射的耦合激光信号分为N+1路激光信号，该N+1路激光信号中，其中一路对应消息信号，通过消息探测器进行测量，其他N路与N路量子信号一一对应，分别通过一量子探测器进行测量。
[0099] 图4所示方式中，同一组待认证激光信号包括N路量子信号以及一路消息信号，N为正整数；认证端Charlie包括第三模式转换复用器；入射认证端Charlie的一组待认证激光信号中，N路量子信号以及一路消息信号耦合为一束激光信号入射第三模式转换复用器，消息信号与量子信号具有不同的光纤模式；第三模式转换复用器用于将入射的耦合激光信号分为N+1路激光信号，该N+1路激光信号中，其中一路对应消息信号，通过消息探测器进行测量，其他N路与N路量子信号一一对应，分别通过一量子探测器进行测量。
[0100] 参考图5，图5为本发明实施例提供的又一种量子签名系统的结构示意图，第一模式转换复用器用于将入射的N路量子信号进行光纤模式转换，使得任意两路激光信号的光纤模式均不同，将模式转换后的信号耦合，将耦合后的激光信号分为两束输出。。
[0101] 图5所示方式中，同一组待认证激光信号包括N路量子信号以及一路消息信号，N为正整数；签名接收端Bob包括第二模式转换复用器。入射签名接收端Bob的一组待认证激光信号中，N路量子信号耦合为一束激光信号入射第二模式转换复用器，消息信号入射消息探测器进行测量；第二模式转换复用器用于将入射的耦合激光信号分为N路激光信号，该N路激光信号与N路量子信号一一对应，分别通过一量子探测器进行测量。
[0102] 图5所示方式中，同一组待认证激光信号包括N路量子信号以及一路消息信号，N为正整数；认证端Charlie包括第三模式转换复用器；入射认证端Charlie的一组待认证激光信号中，N路量子信号耦合为一束激光信号入射第三模式转换复用器，消息信号入射消息探测器进行测量；第三模式转换复用器用于将入射的耦合激光信号分为N路激光信号，该N路激光信号与N路量子信号一一对应，分别通过一量子探测器进行测量。
[0103] 参考图6，图6为本发明实施例提供的又一种量子签名系统的结构示意图，调制转换模块包括：N个量子调制器、一个消息调制器以及第一模式转换复用器；其中，量子调制器用于对入射第一激光信号进行量子调制，出射一路量子信号；消息调制器用于对入射第一激光信号进行消息调制，出射消息信号；第一模式转换复用器基于入射的N路量子信号以及一路消息信号出射两组待认证激光信号。认证端Charlie和签名接收端Bob实现方式与图4相同。
[0104] 本发明实施例中，模式复用器包括多个第一端口以及至少第二端口。不同的第一端口输入不同光纤模式的激光信号。所有第一端口输入的激光信号耦合后的激光信号从第二端口输出。模式复用器可以通过内部集成的分束器将耦合的激光信号分为多路，分别从一个第二端口输出。模式复用器不改变光纤模式。根据光路可逆原理，入射第二端口的具有多种光纤模式的激光信号，可以分为多路不同光纤模式的激光信号，分别从一个对应的第一端口输出。模式复用器可以通过其内部分束器设置其第一端口和第二端口的各自数量。如可以根据需求设置模式复用器具有N个第一端口或是N+1个第一端口，具有两个第二端口。
[0105] 本发明实施例中，模式转换复用器包括多个第一端口以及至少第二端口。每个第一端口输入对应量子态的基模激光信号，经过模式转换复用器转换为一个量子态对应一个光纤模式的量子信号，所有第一端口输入的基模激光信号转换的量子信号耦合，耦合后的激光信号分为多路，分别通过一个第二端口输出。每个第二端口输出的耦合激光信号中光纤模式数量等于具有信号输入的第一端口数量。模式转换复用器可以通过内部集成的分束器将耦合的激光信号分为多路，分别从一个第二端口输出。模式转换复用器可以改变光纤模式。根据光路可逆原理，入射第二端口的具有多种光纤模式的激光信号，可以分为多路，每路激光信号包括一种光纤模式，一路单一光纤模式的激光信号转换为基模后从对应的一个第一端口输出。模式转换复用器可以通过其内部分束器设置其第一端口和第二端口的各自数量。如可以根据需求设置模式转换复用器具有N个第一端口或是N+1个第一端口，具有两个第二端口。
[0106] 本发明实施例中，签名发送端Alice可以分别通过一个多模光纤分别向签名接收端Bob和认证端Charlie发送包括多路量子激光信号的耦合激光信号。
[0107] 光纤是一种传导光的纤维，通常由纤芯和包层组成。光的本质是一种电磁波，在光纤中传播时可以使用麦克斯韦方程组描述。根据光纤的物质方程和边界条件，可以求解麦克斯韦方程组，得出光纤中电磁场的分布。将这种分布称为光纤模式，即麦克斯韦方程组的一个特解对应一个光纤模式。
[0108] 通常使用的光纤纤芯和包层之间的折射率差别很小，称为弱导近似。在这种条件下求解出的光纤模式称为线性极化模式，即LP模式。LP模式按照阶数从低到高可以分为LP01，LP11，LP21，LP02…。其中最低阶的模式为LP01模，也称为基模。不同的LP模式分别支持两个正交偏振态，如LP01-H态和LP01-V态。
[0109] 单模光纤中只存在一个模式LP01模，而多模光纤中存在多个模式(≥2)，不同模式之间相互正交。通常使用的多模光纤的模式数非常多(>几百个)。一种特殊的多模光纤称为少模光纤，能够支持少数几个模式(如支持两个模式的光纤，支持4个模式的光纤等)。本发明实施例中提及的多模光纤为泛指，包含这种少模光纤，使用少模光纤为优选方案。多芯光纤指的是同一个光纤包层中若干个不同纤芯的光纤结构。
[0110] 多模光纤可以为多芯光纤，多芯光纤是一根光纤中具有多个纤芯，不同纤芯公用一个包层(cladding)。一种典型的多芯光纤为七芯光纤。
[0111] 本发明实施例中，模式转换复用器可以为扇出(Fan-out)耦合器，可以将不同路径的光信号分别耦合进入多芯光纤的不同纤芯。扇出耦合器可以使用光纤拉锥的Fan-out结构，也可以基于光子芯片的结构。
[0112] 当模式转换复用器采用Fan-out耦合器时，图6所示量子签名系统可以如图7所示，图7为本发明实施例提供的又一种量子签名系统的结构示意图，该方式中签名发送端Alice的第一模式转换复用器为第一Fan-out耦合器，签名接收端Bob的第二模式转换复用器为第二Fan-out耦合器，认证端Charlie的第三模式转换复用器为第三Fan-out耦合器。
[0113] 当模式转换复用器采用Fan-out耦合器时，图4所示量子签名系统可以如图8所示，图8为本发明实施例提供的又一种量子签名系统的结构示意图，该方式中签名发送端Alice的第一模式转换复用器为第一Fan-out耦合器，签名接收端Bob的第二模式转换复用器为第二Fan-out耦合器，认证端Charlie的第三模式转换复用器为第三Fan-out耦合器。
[0114] 当模式转换复用器采用Fan-out耦合器时，图5所示量子签名系统可以如图9所示，图9为本发明实施例提供的又一种量子签名系统的结构示意图，该方式中签名发送端Alice的第一模式转换复用器为第一Fan-out耦合器，签名接收端Bob的第二模式转换复用器为第二Fan-out耦合器，认证端Charlie的第三模式转换复用器为第三Fan-out耦合器。
[0115] 参考图10，图10为本发明实施例通过时分复用降低探测器数量的原理示意图，本发明实施例中，签名接收端Bob可以基于图10所示原理，使得一个探测器可以用于多路激光信号的测量。同样，认证端Charlie可以基于图10所示原理，使得一个探测器可以用于多路激光信号的测量。
[0116] 如图10的左图，如一组待认证激光信号包括4路激光信号，分别为信号1、信号2、信号3和信号4，传统方式每个信号需要单独一个探测器采集，共计需要四个探测器，分别为探测器1、探测器2、探测器3和探测器4。
[0117] 如图10的中间图和右图所示，可以结合时分复用技术，减少探测器的使用数量，可以使得多路激光信号公用一个探测器，从而减少探测器的使用数量。
[0118] 如图10的中间图所示，四个信号各自对应一个延时器，共计需要四个延时器，分别为延时器1、延时器2、延时器3和延时器4。四个信号分别通过不同的延时器延时之后，再输入到同一个探测器测量，探测器根据不同的延时值将分成4个(信号数量n＝4)时隙，每个时隙分别对应不同的信号。测量到光信号时，可以根据光信号的到达时间区分来自于哪一路信号。延时器延时可以通过光延时或者光电延时实现。如图10的右图所示，各个延时器是使用不同长度光纤作为延时器的一个例子。该方式可以使得签名接收端Bob中用于探测器的数量最少为1，使得认证端Charlie中探测器的数量最少为1。签名接收端Bob与认证端Charlie可以进一步进行时分复用，使得整个系统的量子探测器数量最少为1。
[0119] 本发明实施例量子签名系统还可以结合波分复用技术，一方面，可以通过不同的波长代表不同的用户，形成一个量子签名网络，另一方面，每个用户可以使用多个波长进行通信，成倍提高通信的速率。
[0120] 本发明实施例中涉及的具有多个第二端口的模式复用器、模式转换复用器以及Fan-out耦合器可以分别通过单第二端口的器件加分束器实现，实现原理如图11所示，图11为本发明实施例提供的一种通过分束器增加器件端口的原理示意图。
[0121] 本发明实施例量子签名系统中，签名接收端Bob还包括数据处理器，用于基于YFC2016协议，将第一测量结果以及第二测量结果进行数据处理，以确定待认证激光信号是否满足设定签名条件。本发明示出的量子签名系统的附图中未示出数据处理器。数据处理器与各个探测器连接。
[0122] 本发明实施例中并未对可能的每种量子签名系统进行图示说明，本发明实施例公开了多种签名发送端、多种签名接收端以及多种认证端的实现方式。显然，任一种签名发送端、任一种签名接收端以及任一种认证端可以组合为一种量子签名系统，在光路传播方向上，可以通过分束器使得相邻器件端口数量适配。本发明实施例公开了多种光源模块、多种分光模块以及多种调制转换模块，本发明实施例中并未对可能的每种签名发送端进行图示说明，任一种光源模块、任一种分光模块以及任一种调制转换模块可以组合为一种量子签名系统，在光路传播方向上，可以通过分束器使得相邻器件端口数量适配。
[0123] 本发明实施例量子签名系统在YFC2016协议基础上进行改进，每一种光纤模式的量子信号对应一种空间模式，实现利用不同空间模式传输量子签名的方案，使用N个空间模式来同时传输量子签名中需要的N个量子比特。这样量子比特和消息比特可以同时传输，极大的提高了量子签名传输效率。
[0124] 本发明实施例量子签名系统可以与波分复用技术结合，大幅提高通信速率；利用多模光纤中光纤模式编码实现量子签名；可以与时分复用技术结合，减少量子通信设备的探测器需求，至少需要一个探测器；不同的空间模式可以使用不同的光纤实现，也可以使用同一个多模光纤中不同模式实现，也可以使用多芯光纤中不同纤芯实现；可以通过波分复用实现提高通信速率的空间模式编码量子签名方案；可以通过波分复用组建基于空间模式编码量子签名方案的量子通信网络。与传统的YFC2016协议相比，本发明技术方案提供的利用空间模式编码的量子签名系统，使用不同的空间模式分别表示量子签名中需要的N个量子比特，N个比特同时传输，极大的提高了量子签名的传输效率。
[0125] 基于上述实施例，本发明另一实施例还提供了一种量子签名方法，可以通过上述量子签名系统实现该量子签名方法，该量子签名方法包括：
[0126] 步骤S11：签名发送端出射两组待认证激光信号；
[0127] 待认证激光信号包括多路量子信号以及一路消息信号；同一组待认证激光信号中，量子信号具有不同的光纤模式；其中，认证端测量接收的一组待认证激光信号，生成第一测量结果，并将第一测量结果公布，签名接收端测量接收的另一组待认证激光信号，生成第二测量结果；
[0128] 步骤S12：签名接收端基于第一测量结果与第二测量结果，确定待认证激光信号是否满足设定签名条件。
[0129] 本发明实施例量子签名方法，实现利用不同空间模式传输量子签名的方案，使用N个空间模式来同时传输量子签名中需要的N个量子比特。这样量子比特和消息比特可以同时传输，极大的提高了量子签名传输效率。
[0130] 本发明实施例量子签名方法可以与波分复用技术结合，大幅提高通信速率；利用多模光纤中光纤模式编码实现量子签名；可以与时分复用技术结合，减少量子通信设备的探测器需求，至少需要一个探测器；不同的空间模式可以使用不同的光纤实现，也可以使用同一个多模光纤中不同模式实现，也可以使用多芯光纤中不同纤芯实现；可以通过波分复用实现提高通信速率的空间模式编码量子签名方案；可以通过波分复用组建基于空间模式编码量子签名方案的量子通信网络。与传统的YFC2016协议相比，本发明技术方案提供的利用空间模式编码的量子签名方法，使用不同的空间模式分别表示量子签名中需要的N个量子比特，N个比特同时传输，极大的提高了量子签名的传输效率。
[0131] 本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的量子签名方法而言，由于其与实施例公开的量子签名系统相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见量子签名系统对应部分说明即可。
[0132] 还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0133] 对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
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