本發(fā)明屬于量子通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于量子圖態(tài)的指紋認(rèn)證方法。

背景技術(shù)：

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，信息的傳遞、獲取和發(fā)布已經(jīng)滲入到日常生活中。因此，各類信息泄露以及非法獲取信息的事件不斷發(fā)生。計(jì)算機(jī)密碼是指建立在香農(nóng)保密通信理論基礎(chǔ)和計(jì)算復(fù)雜性基礎(chǔ)上以計(jì)算機(jī)或計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算能力來保證其安全性的密碼系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)密碼學(xué)中的保密算法往往基于計(jì)算復(fù)雜度和不可破解的數(shù)學(xué)問題，目前使用最多的加密算法des、aes、rsa、ecc等。

目前提出的量子計(jì)算機(jī)能夠大幅縮短提取用戶所需信息的時間，可以在幾天內(nèi)解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)會花費(fèi)數(shù)百萬年才能處理的數(shù)據(jù)，量子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)對計(jì)算機(jī)密碼系統(tǒng)的安全性有著致命的打擊。

量子信息科學(xué)技術(shù)是量子力學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)相結(jié)合發(fā)展起來的交叉科學(xué)，采用量子態(tài)作為信息的載體，在通信和計(jì)算機(jī)等科學(xué)領(lǐng)域有巨大的優(yōu)勢和光明的前景。量子密碼技術(shù)是密碼學(xué)與量子力學(xué)結(jié)合的產(chǎn)物，其安全性由取決于量子力學(xué)兩大基本原理，即海森堡測不準(zhǔn)定理(theheisenberguncertaintyprinciple)和不可克隆原理(thequantumno-cloningtheorem)。量子圖態(tài)是一種多組分量子糾纏態(tài)，可以用頂點(diǎn)集合和邊集合組成數(shù)學(xué)圖形來表述。圖態(tài)是量子計(jì)算模型特定的算法資源,是在量子糾錯碼中穩(wěn)定子碼的子集,也是構(gòu)造量子糾錯碼的方法之一。圖態(tài)自提出以來，一直是研究量子計(jì)算、量子糾錯、量子密碼技術(shù)的重要工具。

指紋認(rèn)證技術(shù)是信息安全的核心技術(shù)之一，指紋認(rèn)證技術(shù)是把用戶同他的指紋對應(yīng)起來，通過比較他的指紋和預(yù)先保存的指紋進(jìn)行比較，就可以驗(yàn)證其真實(shí)身份。其原理在于每個人指紋紋路在圖案、斷點(diǎn)和交叉點(diǎn)上各不相同，具有唯一性和穩(wěn)定性。生物指紋特征是現(xiàn)實(shí)生活中的廣泛應(yīng)用使得人們對于其帶來的安全性和隱私性問題越來越關(guān)注。

綜合以上分析我們發(fā)現(xiàn)，量子計(jì)算的強(qiáng)大計(jì)算機(jī)能力能攻破很多數(shù)學(xué)問題，目前的指紋認(rèn)證算法大多數(shù)面臨很大威脅，將量子圖態(tài)與指紋認(rèn)證技術(shù)結(jié)合，利用量子計(jì)算來對指紋信息進(jìn)行認(rèn)證，可由量子特有物理性質(zhì)保證算法的無條件安全，因而設(shè)計(jì)這樣一種安全可靠的驗(yàn)證算法是很有必要的

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種基于量子圖態(tài)的指紋認(rèn)證方法，解決了安全指紋認(rèn)證系統(tǒng)中經(jīng)典認(rèn)證算法導(dǎo)致的信息泄露問題。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種基于量子圖態(tài)的指紋認(rèn)證方法，按照以下步驟進(jìn)行：

步驟s1：指紋圖像采集；

接受用戶輸入的指紋圖像，提取指紋上的細(xì)節(jié)點(diǎn)，對指紋圖像進(jìn)行數(shù)字化處理，將指紋細(xì)節(jié)點(diǎn)編碼成由{0,1}組成的n位二進(jìn)制序列；

步驟s2：申請量子密鑰；

客戶端收到指紋圖像后立即向服務(wù)器發(fā)送密鑰申請請求，服務(wù)器利用量子信道發(fā)送加密后的量子id密鑰給發(fā)送申請請求的客戶端，即服務(wù)器與客戶端共享該量子id密鑰；

步驟s3：加密指紋信息；

客戶端將用戶輸入的指紋信息與id密鑰綁定，生成輔助數(shù)據(jù)；

步驟s4：客戶端將輔助數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器，服務(wù)器利用id密鑰解密出指紋信息；

步驟s5：服務(wù)器將解密出來的指紋信息與指紋數(shù)據(jù)庫中存儲的用戶指紋信息進(jìn)行指紋匹配驗(yàn)證；

步驟s6：判斷驗(yàn)證是否成功，若成功則結(jié)束通訊；若驗(yàn)證未成功，則轉(zhuǎn)入步驟s1中，客戶端重新提取用戶指紋圖像。

進(jìn)一步的，所述步驟s5的步驟如下：

步驟1)服務(wù)器制備3粒子糾纏的量子圖態(tài)圖態(tài)中的3個頂點(diǎn)分別標(biāo)記為as,user和data,利用公式對圖態(tài)進(jìn)行編碼操作，其中為編碼圖態(tài)，的展開式為為克羅內(nèi)克積，li2∈{0,1}，是指，當(dāng)li2＝0時對第i和頂點(diǎn)進(jìn)行i操作，當(dāng)li2＝1時對第i和頂點(diǎn)進(jìn)行z操作，i∈{1,2,3}，i，z分別為pauli矩陣即將其中的頂點(diǎn)as、user和data的標(biāo)簽設(shè)為(0,l12)(0,l22)和(0,l32)，其中l(wèi)12＝0；

步驟2)設(shè)服務(wù)器解密出來的指紋信息是由n位量子態(tài)組成的序列，將其記為|s>＝{|sj>:j∈{1,2,...,n}}，其中|sj>∈{|0>,|1>}表示第j位量子態(tài)；

步驟3)驗(yàn)證操作，將量子圖態(tài)穩(wěn)定子作用于編碼圖態(tài)并操作n次，第j次操作過程中，l22^j＝sj即l22^j∈{0,1}，l22^j為該用戶在服務(wù)器中指紋數(shù)據(jù)庫存儲的長度為n指紋數(shù)據(jù)信息序列中的第j位，標(biāo)記l22的轉(zhuǎn)移過程用公式表示其中l22＝0時，當(dāng)l22＝1，⊕為異或符號，為克羅內(nèi)克積；

步驟4)當(dāng)任意l^j32⊕l^j22＝0都成立，即指紋匹配成功，服務(wù)器將指紋匹配成功信息反饋至客戶端；

當(dāng)存在l^j32⊕l^j22＝1，則指紋匹配失敗，服務(wù)器將指紋匹配失敗信息反饋至客戶端，客戶端提示用戶重新輸入指紋。

進(jìn)一步的，所述步驟1)中，圖態(tài)的制備過程步驟如下：

(1)準(zhǔn)備好由|000>組成量子比特串；

(2)把每個量子比特都進(jìn)行hadamard變換，變成|+>態(tài)；

(3)對于純圖態(tài)|g>的圖中相鄰的兩頂點(diǎn)所對應(yīng)的量子比特進(jìn)行控制z門的操作，即cz|εε'>＝(-1)^εε'|εε'>，其中為二維希爾伯特空間，

本發(fā)明的有益效果：量子圖態(tài)算法與指紋認(rèn)證技術(shù)相結(jié)合，可由量子特有物理性質(zhì)保證算法的無條件安全，同時量子強(qiáng)大的計(jì)算能力，能有效的提高指紋認(rèn)證的效率。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發(fā)明原理圖。

圖2是本發(fā)明工作流程圖。

圖3是本發(fā)明提供一種量子圖態(tài)的穩(wěn)定子操作的具體實(shí)現(xiàn)指紋認(rèn)證方法示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

一種基于量子圖態(tài)的指紋認(rèn)證方法，包括客戶端和服務(wù)器，如圖1-2所示，客戶端與服務(wù)器互相通信，用戶可以通過客戶端登輸入指紋,客戶端可通過量子網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器分享密鑰，用于對用戶輸入的指紋進(jìn)行相關(guān)加密算法處理；服務(wù)器，可以對指紋進(jìn)行匹配驗(yàn)證，并反饋給客戶端。

具體實(shí)施步驟如下：

步驟s1：指紋圖像采集；

接受用戶輸入的指紋圖像，提取指紋上的細(xì)節(jié)點(diǎn)，對指紋圖像進(jìn)行數(shù)字化處理，將指紋細(xì)節(jié)點(diǎn)編碼成由{0,1}組成的n位二進(jìn)制序列；

步驟s2：申請量子密鑰；

客戶端收到指紋圖像后立即向服務(wù)器發(fā)送密鑰申請請求，服務(wù)器利用量子信道發(fā)送加密后的量子id密鑰給發(fā)送申請請求的客戶端，即服務(wù)器與客戶端共享該量子id密鑰；

步驟s3：加密指紋信息；

客戶端將用戶輸入的指紋信息與id密鑰綁定，生成輔助數(shù)據(jù)；

步驟s4：客戶端將輔助數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器，服務(wù)器利用id密鑰解密出指紋信息；

步驟s5：服務(wù)器將解密出來的指紋信息與指紋數(shù)據(jù)庫中存儲的用戶指紋信息進(jìn)行指紋匹配驗(yàn)證。

步驟s6：判斷驗(yàn)證是否成功，若成功則結(jié)束通訊；若驗(yàn)證未成功，則轉(zhuǎn)入步驟s1中，客戶端重新提取用戶指紋圖像。

其中，步驟s5的具體步驟如下：

1)服務(wù)器制備3粒子糾纏的量子圖態(tài)圖態(tài)中的3個頂點(diǎn)分別標(biāo)記為as,user和data,利用公式對圖態(tài)進(jìn)行編碼操作，其中為編碼圖態(tài)，的展開式為為克羅內(nèi)克積，li2∈{0,1}，是指，當(dāng)li2＝0時對第i和頂點(diǎn)進(jìn)行i操作，當(dāng)li2＝1時對第i和頂點(diǎn)進(jìn)行z操作，i∈{1,2,3}，i，z分別為pauli矩陣即將其中的頂點(diǎn)as、user和data的標(biāo)簽設(shè)為(0,l12)(0,l22)和(0,l32)，其中l(wèi)12＝0；

所述步驟中圖態(tài)的制備過程步驟如下：

(1)準(zhǔn)備好由|000>組成量子比特串；

(2)把每個量子比特都進(jìn)行hadamard變換，變成|+>態(tài)；

(3)對于純圖態(tài)|g>的圖中相鄰的兩頂點(diǎn)所對應(yīng)的量子比特進(jìn)行控制z門的操作，即cz|εε'>＝(-1)^εε'|εε'>，其中為二維希爾伯特空間，

2)設(shè)服務(wù)器解密出來的指紋信息是由n位量子態(tài)組成的序列，將其記為|s>＝{|sj>:j∈{1,2,...,n}}，其中|sj>∈{|0>,|1>}表示第j位量子態(tài)；

3)驗(yàn)證操作，將量子圖態(tài)穩(wěn)定子作用于編碼圖態(tài)并操作n次，第j次操作過程中，l22^j＝sj即l22^j∈{0,1}，l22^j為該用戶在服務(wù)器中指紋數(shù)據(jù)庫存儲的長度為n指紋數(shù)據(jù)信息序列中的第j位，標(biāo)記l22的轉(zhuǎn)移過程用公式表示其中時，當(dāng)⊕為異或符號，為克羅內(nèi)克積；

4)當(dāng)任意l^j32⊕l^j22＝0都成立，即指紋匹配成功，服務(wù)器將指紋匹配成功信息反饋至客戶端；

當(dāng)存在l^j32⊕l^j22＝1，則指紋匹配失敗，服務(wù)器將指紋匹配失敗信息反饋至客戶端，客戶端提示用戶重新輸入指紋。

圖3示出了本發(fā)明中量子圖態(tài)的穩(wěn)定子操作的具體實(shí)現(xiàn)指紋認(rèn)證方法。圖3(a)為指紋驗(yàn)證前編碼圖態(tài)圖3(b)為正常指紋驗(yàn)證后的編碼圖態(tài)。當(dāng)所述服務(wù)器進(jìn)行指紋驗(yàn)證時，頂點(diǎn)user將穩(wěn)定子作用在量子圖態(tài)上，其標(biāo)簽l22^j轉(zhuǎn)移到頂點(diǎn)data上，箭頭標(biāo)示標(biāo)記的轉(zhuǎn)移。當(dāng)n次操作中data上的標(biāo)簽均為(0,0)即l^j32⊕l^j22＝0時，其中⊕為異或符號，j∈{1,2,...,n}，指紋驗(yàn)證成功匹配，否則失敗，反饋信號給所述客戶端要求重新錄入指紋。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。