本實用新型涉及量子安全認(rèn)證、身份識別、量子加密領(lǐng)域，具體是指一種單電路板上集成的量子認(rèn)證系統(tǒng)。

技術(shù)背景

身份認(rèn)證是物聯(lián)網(wǎng)、通信、金融等領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，但隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，利用經(jīng)典密碼、經(jīng)典生物信息等方式進(jìn)行身份驗證的安全性受到越來越嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，黑客僅用數(shù)分鐘就可復(fù)制身份證、銀行卡，或者偽造指紋等生物特征信息進(jìn)行冒名認(rèn)證，對國民經(jīng)濟(jì)造成巨大損失，為社會安全帶來極大隱患。此外，飛速發(fā)展的量子計算技術(shù)也逐漸成為RSA等公鑰密碼體系的巨大威脅。因此，發(fā)展下一代安全認(rèn)證技術(shù)迫在眉睫。

量子認(rèn)證是近些年提出的一種全新的安全認(rèn)證技術(shù)。其利用物理不可克隆函數(shù)（Physical Unclonable Function，PUF）實體作為鑰匙，利用量子態(tài)的激勵-響應(yīng)對作為密碼，由量子不可克隆定理和物理不可克隆函數(shù)雙重保障，可從物理原理上確保身份信息不被克隆和冒用，具有“絕對”的安全性。即便采用量子計算機(jī)也無法對其進(jìn)行破解。有望對身份認(rèn)證、識別和加密領(lǐng)域產(chǎn)生革命性影響。

然而，當(dāng)前報道的量子認(rèn)證系統(tǒng)都是采用光學(xué)元器件在實驗室光學(xué)平臺上搭建的復(fù)雜光路系統(tǒng)，如Sebastianus A. Goorden等人最早實現(xiàn)的量子認(rèn)證實驗系統(tǒng)（Optica, 2014, 1(6): 421-424）及公開日為2016年4月20日，公開號為CN105515779A的中國專利文獻(xiàn)公開的一種基于光學(xué)PUF的量子安全認(rèn)證系統(tǒng)。這些系統(tǒng)體積龐大、操作復(fù)雜、對系統(tǒng)中個部件的位置對準(zhǔn)和穩(wěn)定性要求極高、使用不夠靈活方便，很難在實際場景中進(jìn)行應(yīng)用。要實現(xiàn)量子認(rèn)證系統(tǒng)的實用化，需要進(jìn)一步使量子認(rèn)證系統(tǒng)高度集成化、微小型化。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡單、使用和攜帶便捷的單電路板上集成的量子認(rèn)證系統(tǒng)。

為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用技術(shù)方案如下：

一種單電路板上集成的量子認(rèn)證系統(tǒng)，其特征在于，包括一體化電路板、量子光源模塊、插卡槽、解碼探測模塊、觸摸屏顯示器芯片、外殼、激勵光調(diào)制器芯片和光學(xué)PUF；所述量子光源模塊、插卡槽、解碼探測模塊通過錫焊從左向右依次集成在一體化電路板上，插卡槽上插接激勵光調(diào)制器芯片，觸摸屏顯示器芯片焊接于一體化電路板的最右端，以一體化電路板、觸摸屏顯示器芯片作為兩個端面通過外殼封裝成一體，所述觸摸屏顯示器芯片的顯示界面露在整體外面；所述光學(xué)PUF封裝固定在激勵光調(diào)制器芯片的窗口上。

所述一體化電路板用于驅(qū)動/控制/處理/存儲，包含有驅(qū)動電路、嵌入式微控制器、處理器、存儲器、SOC，同時為量子光源模塊、解碼探測模塊、觸摸屏顯示器芯片和激勵光調(diào)制器芯片提供驅(qū)動、控制電信號，并對解碼探測模塊和激勵光調(diào)制器芯片的激勵-響應(yīng)信息進(jìn)行存儲和處理，將認(rèn)證結(jié)果輸出到觸摸屏顯示器芯片上顯示，還能將觸摸屏顯示器芯片上輸入的信息進(jìn)行處理傳輸。

所述量子光源模塊是產(chǎn)生量子光的器件芯片，可以采用精密衰減的脈沖激光器芯片，也可以采用基于量子點或金剛石NV色心的單光子源芯片，還可以采用基于非線性效應(yīng)的糾纏源芯片；所述量子光源模塊產(chǎn)生的均勻平面光束的尺寸大于光學(xué)PUF 的尺寸，可將其完全覆蓋，從而避免了激勵光斑與光學(xué)PUF之間的相對空間位置移動問題。

所述插卡槽的底部留有可以和激勵光調(diào)制器芯片匹配電路接口。

所述解碼探測模塊是對量子光的空間狀態(tài)進(jìn)行解碼探測的器件芯片，可以采用EMCCD芯片或EBCCD芯片或SCMOS芯片這類對量子響應(yīng)信號直接成像進(jìn)行解碼的方式，也可以采用空間光調(diào)制器芯片將量子響應(yīng)信號先調(diào)制成均勻平面后光聚焦或直接自適應(yīng)調(diào)制聚焦到單光子計數(shù)器芯片進(jìn)行探測的間接解碼方式。

所述解碼探測模塊采用波前反饋自適應(yīng)算法。當(dāng)采用EMCCD芯片或EBCCD芯片或SCMOS芯片時，該算法可以對探測到的二維圖像響應(yīng)信號自動進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)操作后與激勵-響應(yīng)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對；當(dāng)采用空間光調(diào)制器芯片結(jié)合單光子計數(shù)器芯片時，該算法可以根據(jù)單光子計數(shù)器探測到的光子數(shù)反饋對空間光調(diào)制器進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，將空間分布的量子光調(diào)制成均勻平行光聚焦或直接聚焦到單光子計數(shù)器芯片上，實現(xiàn)解碼探測，并可對空間光調(diào)制器芯片上的二維圖像響應(yīng)信號自動進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)操作。

所述外殼的內(nèi)表面采用黑化處理，以消除系統(tǒng)內(nèi)部的雜散光對信號光的影響。

所述激勵光調(diào)制器芯片是對量子光的空間狀態(tài)進(jìn)行調(diào)制的芯片，可采用透射模式的液晶陣列或數(shù)字微鏡陣列芯片，在除了光學(xué)PUF所覆蓋位置外均不透光，且其底部端面有電路插口，可與插卡槽上的電路接口匹配，實現(xiàn)每次插卡時由一體化電路板為其提供驅(qū)動和控制。

所述光學(xué)PUF 采用無序微納米粒子構(gòu)成的散射體，該散射體對激勵光具有一定的透射率。光學(xué)PUF 封裝固定在激勵光調(diào)制器芯片的窗口上集成一體構(gòu)成量子鑰匙卡片，由待認(rèn)證身份的人持有或與待認(rèn)證的物體綁定。

本實用新型的具體使用方法如下：

（a）首先將量子鑰匙卡片K1插入插卡槽中進(jìn)行注冊

通過觸摸屏顯示器芯片輸入其名稱：K1，然后輸入需要注冊的激勵數(shù)目N，此時，一體化電路板會給量子光源模塊供電，并依次產(chǎn)生N個二維隨機(jī)矩陣輸入到量子鑰匙卡片K1的激勵光調(diào)制器芯片上，同時將這N個二維隨機(jī)矩陣存儲起來，相應(yīng)的解碼探測模塊會依次采集到N個二維矩陣響應(yīng)信號，這時一體化電路板會將這N個二維矩陣響應(yīng)信號存儲起來；這樣就獲得了量子鑰匙卡片K1的N對激勵-響應(yīng)對二維矩陣數(shù)據(jù)庫，完成了量子鑰匙卡片K1的注冊；以此類推，可以對K2、K3…….Km不同的量子鑰匙卡片進(jìn)行注冊；

（b）將待認(rèn)證的量子鑰匙卡片K1插入到插卡槽中進(jìn)行認(rèn)證

通過觸摸屏顯示器芯片輸入其名稱：K1，此時，一體化電路板會給量子光源模塊供電，再從已注冊的量子鑰匙卡片K1的N對激勵-響應(yīng)對二維矩陣數(shù)據(jù)庫中隨機(jī)抽出1個激勵矩陣輸入到量子鑰匙卡片K1的激勵光調(diào)制器芯片上，相應(yīng)的解碼探測模塊會產(chǎn)生1個二維矩陣響應(yīng)信號，并通過波前反饋自適應(yīng)算法對探測到的二維矩陣響應(yīng)信號自動進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)操作后與激勵-響應(yīng)數(shù)據(jù)庫中的響應(yīng)矩陣一一進(jìn)行比對，若吻合度大于系統(tǒng)可接受認(rèn)證的設(shè)定值，則認(rèn)為認(rèn)證成功，否則失敗；最后將認(rèn)證結(jié)果輸出至觸摸屏顯示器芯片上進(jìn)行顯示；采用該算法后，量子鑰匙卡片K1和解碼探測模塊之間的相對位置就無需精確對準(zhǔn)，從而大大提高認(rèn)證系統(tǒng)的效率、可重復(fù)性和實用性；

（c）每成功認(rèn)證一次，則自動刪除激勵-響應(yīng)對二維矩陣數(shù)據(jù)庫中已用過的激勵-響應(yīng)對，以防重放攻擊。

為了降低非法量子鑰匙卡片被錯誤認(rèn)證成功的幾率、提高認(rèn)證的有效性，可以對一個量子鑰匙卡片采用多組激勵-響應(yīng)對進(jìn)行驗證，此時非法量子鑰匙卡片被錯誤認(rèn)證成功的幾率會隨驗證激勵-響應(yīng)對的數(shù)目成指數(shù)降低，從而有效提高認(rèn)證的有效性。

本實用新型的有益效果如下：

本實用新型提出的單電路板上集成的量子認(rèn)證系統(tǒng)是一種高度集成化的系統(tǒng)，具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡單、安裝使用和攜帶便捷的優(yōu)勢；

本實用新型將光學(xué)PUF集成在激勵空間光調(diào)制器陣列上形成一體化量子鑰匙卡片，避免了量子光激勵陣列與光學(xué)PUF之間的位置對準(zhǔn)問題，極大地提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可重復(fù)性；

本實用新型提出在解碼探測模塊上采用自適應(yīng)平移、旋轉(zhuǎn)算法，避免了量子響應(yīng)光與解碼探測模塊之間的位置對準(zhǔn)問題，極大地提高了系統(tǒng)的效率、可重復(fù)性和實用性。

附圖說明

圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實用新型采用量子點單光子源芯片和EMCCD芯片的單電路板上集成量子認(rèn)證系統(tǒng)示意圖；

圖3為本實用新型采用脈沖激光器芯片和液晶空間光調(diào)制器芯片結(jié)合APD單光子計數(shù)器芯片的單電路板上集成量子認(rèn)證系統(tǒng)示意圖；

其中：1為一體化電路板；2為量子光源模塊；21為脈沖激光器芯片；22為光衰減器；3為插卡槽；4為解碼探測模塊；41為液晶空間光調(diào)制器芯片；42為APD單光子計數(shù)器芯片；5為觸摸屏顯示器芯片；6為外殼；7為激勵光調(diào)制器芯片；8為光學(xué)PUF。

具體實施方式

如圖1 所示，一種單電路板上集成的量子認(rèn)證系統(tǒng)，包括：一體化電路板1、量子光源模塊2、插卡槽3、解碼探測模塊4、觸摸屏顯示器芯片5、外殼6、激勵光調(diào)制器芯片7和光學(xué)PUF8；所述量子光源模塊2、插卡槽3、解碼探測模塊4通過錫焊從左向右依次集成在一體化電路板1上，插卡槽3上插接激勵光調(diào)制器芯片7，觸摸屏顯示器芯片5焊接于一體化電路板1的最右端，以一體化電路板1、觸摸屏顯示器芯片5作為兩個端面通過外殼6封裝成一體，所述觸摸屏顯示器芯片5的顯示界面露在整體外面；所述光學(xué)PUF 8封裝固定在激勵光調(diào)制器芯片7的窗口上。

如圖2所示，量子光源模塊2采用量子點單光子源芯片，解碼探測模塊4采用EMCCD芯片，觸摸屏顯示器芯片5采用OLED觸摸屏顯示器芯片，外殼6采用內(nèi)表面黑化的鋁制外殼，激勵光調(diào)制器芯片7采用液晶空間光調(diào)制器芯片，光學(xué)PUF8采用無序氧化鈦納米粒子光學(xué)PUF。

所述無序氧化鈦納米粒子光學(xué)PUF通過半導(dǎo)體工藝集成在液晶空間光調(diào)制器芯片的窗口上，形成量子鑰匙卡片，由待認(rèn)證身份的人持有或與待認(rèn)證的物體綁定。

所述一體化電路板1含驅(qū)動電路、嵌入式微控制器、處理器、存儲器和SOC，同時為量子點單光子源芯片、EMCCD芯片、OLED觸摸屏顯示器芯片和液晶空間光調(diào)制器芯片提供驅(qū)動、控制電信號，并對EMCCD芯片和液晶空間光調(diào)制器芯片的激勵-響應(yīng)信息進(jìn)行存儲和處理，將認(rèn)證結(jié)果輸出到OLED觸摸屏顯示器芯片上顯示，還能將OLED觸摸屏顯示器芯片上輸入的信息進(jìn)行處理傳輸。

所述插卡槽3底部留有電路接口，和液晶空間光調(diào)制器芯片匹配。

采用EMCCD芯片對量子響應(yīng)信號直接成像進(jìn)行解碼，并采用波前反饋自適應(yīng)算法對探測到的二維圖像響應(yīng)信號自動進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)操作后與激勵-響應(yīng)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對。

透射式的液晶空間光調(diào)制器芯片在除了無序氧化鈦納米粒子光學(xué)PUF所覆蓋位置外均不透光，且其底部端面有電路插口，可與插卡槽3上的電路接口匹配，實現(xiàn)每次插卡時由驅(qū)動/控制/處理/存儲一體化電路板1為其提供驅(qū)動和控制。

或者，如圖3所示，量子光源模塊2采用脈沖激光器芯片21、光衰減器22，解碼探測模塊4采用液晶空間光調(diào)制器芯片41、APD單光子計數(shù)器芯片42，觸摸屏顯示器芯片5采用液晶觸摸屏顯示器芯片，外殼6采用內(nèi)表面黑化的塑料外殼、激勵光調(diào)制器芯片7采用數(shù)字微鏡芯片，光學(xué)PUF 8采用二氧化硅嵌埋無序金納米粒子光學(xué)PUF。

其中，光衰減器22通過半導(dǎo)體工藝集成在脈沖激光器芯片21窗口上，使輸出的激光每個脈沖中包含的光子數(shù)少于一個，形成量子光源。集成有光衰減器22的脈沖激光器芯片21、插卡槽3、液晶空間光調(diào)制器芯片41、APD單光子計數(shù)器芯片42、液晶觸摸屏顯示器芯片5從左到右依次通過錫焊互聯(lián)集成在驅(qū)動/控制/處理/存儲一體化電路板1上，并通過內(nèi)表面黑化塑料外殼6封裝于一體，其中液晶觸摸屏顯示器芯片5的顯示界面一側(cè)露在外面。二氧化硅嵌埋無序金納米粒子光學(xué)PUF通過半導(dǎo)體工藝集成在數(shù)字微鏡芯片的窗口上，形成量子鑰匙卡片，由待認(rèn)證身份的人持有或與待認(rèn)證的物體綁定。

驅(qū)動/控制/處理/存儲一體化電路板1含驅(qū)動電路、嵌入式微控制器、處理器、存儲器和SOC，同時為脈沖激光器芯片21、液晶空間光調(diào)制器芯片41、APD單光子計數(shù)器芯片42、液晶觸摸屏顯示器芯片和數(shù)字微鏡芯片提供驅(qū)動、控制電信號，并對液晶空間光調(diào)制器芯片41、數(shù)字微鏡芯片和APD單光子計數(shù)器芯片42的激勵-響應(yīng)信息進(jìn)行存儲和處理，將認(rèn)證結(jié)果輸出到液晶觸摸屏顯示器芯片上顯示，還能將液晶觸摸屏顯示器芯片上輸入的信息進(jìn)行處理傳輸。

插卡槽3底部留有電路接口，可以和數(shù)字微鏡芯片匹配。

液晶空間光調(diào)制器芯片41和APD單光子計數(shù)器芯片42采用波前反饋自適應(yīng)算法進(jìn)行控制，將量子響應(yīng)信號先調(diào)制成均勻平面后光聚焦或直接自適應(yīng)調(diào)制聚焦到單光子計數(shù)器芯片進(jìn)行探測，實現(xiàn)間接解碼。并可對空間光調(diào)制器芯片上的二維圖像響應(yīng)信號自動進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)操作后與激勵-響應(yīng)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對；

數(shù)字微鏡芯片在除了二氧化硅嵌埋無序金納米粒子光學(xué)PUF 8所覆蓋位置外均不透光，且其底部端面有電路插口，可與插卡槽3上的電路接口匹配，實現(xiàn)每次插卡時由驅(qū)動/控制/處理/存儲一體化電路板1為其提供驅(qū)動和控制。

所述系統(tǒng)無論采用上述的哪種結(jié)構(gòu)，其具體使用方法均如下：

（a）首先將量子鑰匙卡片K1插入插卡槽3中進(jìn)行注冊

通過觸摸屏顯示器芯片5輸入其名稱：K1，然后輸入需要注冊的激勵數(shù)目N，此時，一體化電路板1給量子光源模塊2供電，并依次產(chǎn)生N個二維隨機(jī)矩陣輸入到量子鑰匙卡片K1的激勵光調(diào)制器芯片7上，同時將這N個二維隨機(jī)矩陣存儲起來，相應(yīng)的解碼探測模塊4依次采集到N個二維矩陣響應(yīng)信號，這時一體化電路板1會將這N個二維矩陣響應(yīng)信號存儲起來；這樣就獲得了量子鑰匙卡片K1的N對激勵-響應(yīng)對二維矩陣數(shù)據(jù)庫，完成了量子鑰匙卡片K1的注冊；以此類推，可以對K2、K3…….Km不同的量子鑰匙卡片進(jìn)行注冊；

（b）將待認(rèn)證的量子鑰匙卡片K1插入到插卡槽3中進(jìn)行認(rèn)證

通過觸摸屏顯示器芯片5輸入其名稱：K1，此時，一體化電路板11會給量子光源模塊2供電，再從已注冊的量子鑰匙卡片K1的N對激勵-響應(yīng)對二維矩陣數(shù)據(jù)庫中隨機(jī)抽出1個激勵矩陣輸入到量子鑰匙卡片K1的激勵光調(diào)制器芯片7上，相應(yīng)的解碼探測模塊4會產(chǎn)生一個二維矩陣響應(yīng)信號，并通過波前反饋自適應(yīng)算法對探測到的二維矩陣響應(yīng)信號自動進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)操作后與激勵-響應(yīng)數(shù)據(jù)庫中的響應(yīng)矩陣一一進(jìn)行比對，若吻合度大于系統(tǒng)可接受認(rèn)證的設(shè)定值，則認(rèn)為認(rèn)證成功，否則失??；最后將認(rèn)證結(jié)果輸出至觸摸屏顯示器芯片5上進(jìn)行顯示；采用該算法后，量子鑰匙卡片K1和解碼探測模塊4之間的相對位置就無需精確對準(zhǔn)，從而大大提高認(rèn)證系統(tǒng)的效率、可重復(fù)性和實用性；

（c）每成功認(rèn)證一次，則自動刪除激勵-響應(yīng)對二維矩陣數(shù)據(jù)庫中已用過的激勵-響應(yīng)對，以防重放攻擊。

為了降低非法量子鑰匙卡片被錯誤認(rèn)證成功的幾率、提高認(rèn)證的有效性，可以對一個量子鑰匙卡片采用多組激勵-響應(yīng)對進(jìn)行驗證，此時非法量子鑰匙卡片被錯誤認(rèn)證成功的幾率會隨驗證激勵-響應(yīng)對的數(shù)目成指數(shù)降低，從而有效提高認(rèn)證的有效性。