特開 2024-98478 信頼ノードを含むＱＫＤに基づく量子デジタル署名方法およびシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024098478

(43)【公開日】2024-07-23

(54)【発明の名称】信頼ノードを含むＱＫＤに基づく量子デジタル署名方法およびシステム

(51)【国際特許分類】

   H04L 9/32 20060101AFI20240716BHJP

   H04L 9/12 20060101ALI20240716BHJP

【ＦＩ】

H04L9/32 200A

H04L9/12

【審査請求】有

【請求項の数】17

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023100525

(22)【出願日】2023-06-20

(31)【優先権主張番号】10-2023-0003408

(32)【優先日】2023-01-10

(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用申請有り ２０２２年度 韓国通信学会 夏季総合学術発表会

(71)【出願人】

【識別番号】523235541

【氏名又は名称】コリア インスティテュート オブ サイエンス アンド テクノロジー インフォメーション

(74)【代理人】

【識別番号】110000671

【氏名又は名称】ＩＢＣ一番町弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】ソン，イル グォン

(72)【発明者】

【氏名】ペ，グァン イル

(72)【発明者】

【氏名】イ，ウン ジュ

(72)【発明者】

【氏名】イ，ウォン ヒョク

(57)【要約】      （修正有）

【課題】信頼ノードを含むＱＫＤに基づく量子デジタル署名方法及びシステムを提供する。
【解決手段】信頼ノードを含むＱＫＤに基づく量子デジタル署名方法は、信頼ノードによって行われる方法であって、メッセージ送信ノードと第１秘密鍵を共有する段階、メッセージ受信ノードと第２秘密鍵を共有する段階、前記メッセージ送信ノードとｐａｒｔｉａｌ ＱＫＤ（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｋｅｙ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）を行うことによって第１信頼ノード署名を生成する段階、前記メッセージ受信ノードとｐａｒｔｉａｌ ＱＫＤを行うことによって第２信頼ノード署名を生成する段階並びに前記共有された第１秘密鍵、前記共有された第２秘密鍵、前記第１信頼ノード署名および前記第２信頼ノード署名を用いて第１メッセージの検証を行う段階を含む。
【選択図】図９

【特許請求の範囲】

【請求項1】

信頼ノードによって行われる方法であって、
メッセージ送信ノードと第１秘密鍵を共有する段階；
メッセージ受信ノードと第２秘密鍵を共有する段階；
前記メッセージ送信ノードとｐａｒｔｉａｌ ＱＫＤ（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｋｅｙ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）を行うことによって第１信頼ノード署名を生成する段階；
前記メッセージ受信ノードとｐａｒｔｉａｌ ＱＫＤを行うことによって第２信頼ノード署名を生成する段階；および
前記共有された第１秘密鍵、前記共有された第２秘密鍵、前記第１信頼ノード署名および前記第２信頼ノード署名を用いて第１メッセージの検証を行う段階を含む、信頼ノードを含むＱＫＤに基づく量子デジタル署名方法。

【請求項2】

前記メッセージ送信ノードと第１秘密鍵を共有する段階は、
前記メッセージ送信ノードとＱＫＤ方式で第３長のビット列を共有する段階を含み、
前記メッセージ受信ノードと第２秘密鍵を共有する段階は、
前記メッセージ受信ノードとＱＫＤ方式で第４長のビット列を共有する段階を含み、
前記第１秘密鍵は前記第３長のビット列から抽出されて生成されたものであり、
前記第２秘密鍵は前記第４長のビット列から抽出されて生成されたものである、請求項１に記載の信頼ノードを含むＱＫＤに基づく量子デジタル署名方法。

【請求項3】

前記第３長のビット列および前記第４長のビット列は前記メッセージ送信ノードとの量子チャネルの損失率に基づいて決定される、請求項２に記載の信頼ノードを含むＱＫＤに基づく量子デジタル署名方法。

【請求項4】

前記第３長のビット列のうち第３－１長のビット列を公開し、前記第４長のビット列のうち第４－１長のビット列を公開する段階をさらに含み、
前記第３－１長のビット列および前記第４－１長のビット列は互いに同じ長さを有する、請求項２に記載の信頼ノードを含むＱＫＤに基づく量子デジタル署名方法。

【請求項5】

前記公開された第３－１長のビット列を用いて前記メッセージ送信ノードとの前記ｐａｒｔｉａｌ ＱＫＤによる第１誤り率を確認し、前記公開された第４－１長のビット列を用いて前記メッセージ受信ノードとの前記ｐａｒｔｉａｌ ＱＫＤによる第２誤り率を確認する段階をさらに含む、請求項４に記載の信頼ノードを含むＱＫＤに基づく量子デジタル署名方法。

【請求項6】

前記第１信頼ノード署名を生成する段階は、
第１長の信頼ノードビット列を生成する段階を含み、
前記第２信頼ノード署名は第２長の信頼ノードビット列であり、
前記第１長と前記第２長の差（ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）は前記メッセージ送信ノードとの量子チャネルの損失率に基づいて決定される、請求項１に記載の信頼ノードを含むＱＫＤに基づく量子デジタル署名方法。

【請求項7】

前記第１信頼ノード署名を生成する段階は、
前記第１長の信頼ノードビット列に基づいて第１－１長の信頼ノードビット列をランダムに抽出して前記第１信頼ノード署名を生成する段階を含む、請求項６に記載の信頼ノードを含むＱＫＤに基づく量子デジタル署名方法。

【請求項8】

前記第２信頼ノード署名を生成する段階は、
前記第１長の信頼ノードビット列から前記第１－１長の信頼ノードビット列が抽出され、残った第１－２長の信頼ノードビット列を用いて前記メッセージ受信ノードとの前記ｐａｒｔｉａｌ ＱＫＤを行うための光子の符号化を行う段階をさらに含む、請求項７に記載の信頼ノードを含むＱＫＤに基づく量子デジタル署名方法。

【請求項9】

前記第１メッセージの検証を行う段階は、
前記メッセージ送信ノードから前記第１メッセージおよび前記第１長のメッセージ送信ノードビット列を前記共有された第１秘密鍵で暗号化して生成された暗号化された第１メッセージを受信する段階；
前記共有された第１秘密鍵を用いて前記受信された暗号化された第１メッセージを復号化して、復号化された第１メッセージおよび復号化された第１長のメッセージ送信ノードビット列を抽出する段階；
前記復号化された第１長のメッセージ送信ノードビット列と前記第１－１長の信頼ノードビット列を比較して前記受信された暗号化された第１メッセージが正当な送信ノードから送信されたものであるか確認する段階；
前記受信された暗号化された第１メッセージが正当な送信ノードから送信されたものである場合、前記復号化された第１メッセージおよび前記第２長の信頼ノードビット列を前記共有された第２秘密鍵で暗号化した２次暗号化された第１メッセージを前記メッセージ受信ノードに伝送する段階；
前記メッセージ受信ノードから公開された第２長のメッセージ受信ノードビット列および前記復号化された第１長のメッセージ送信ノードビット列に基づいて前記メッセージ受信ノードに前記メッセージ送信ノードが正当な送信ノードであり、前記第１メッセージのための署名が有効であることを宣言する段階を含む、請求項１に記載の信頼ノードを含むＱＫＤに基づく量子デジタル署名方法。

【請求項10】

前記公開された第２長のメッセージ受信ノードビット列は、
前記メッセージ受信ノードによって前記復号化された第２長の信頼ノードビット列および前記第２長のメッセージ受信ノードビット列に基づいて前記受信された２次暗号化された第１メッセージが正当な送信ノードから送信されたものであるか確認された後に前記メッセージ受信ノードによって公開ボード（ｐｕｂｌｉｃ ｂｏａｒｄ）に公開されたものである、請求項９に記載の信頼ノードを含むＱＫＤに基づく量子デジタル署名方法。

【請求項11】

前記受信された２次暗号化された第１メッセージが正当な送信ノードから送信されたものであるか確認されることは、
前記メッセージ受信ノードによって前記復号化された第２長の信頼ノードビット列と前記第２長のメッセージ受信ノードビット列を比較して不一致ビット数が第２誤り率値より少ない場合、前記受信された２次暗号化された第１メッセージが正当な送信ノードから送信されたものと確認されることである、請求項１０に記載の信頼ノードを含むＱＫＤに基づく量子デジタル署名方法。

【請求項12】

前記受信された暗号化された第１メッセージが正当な送信ノードから送信されたものであるか確認する段階は、
前記復号化された第１長のメッセージ送信ノードビット列と前記第１－１長の信頼ノードビット列を比較して不一致ビット数が第１誤り率値より少ない場合、前記受信された暗号化された第１メッセージが正当な送信ノードから送信されたものと確認する段階を含む、請求項９に記載の信頼ノードを含むＱＫＤに基づく量子デジタル署名方法。

【請求項13】

前記メッセージ送信ノードが正当な送信ノードであり、前記第１メッセージのための署名が有効であることを宣言する段階は、
前記公開された第２長のメッセージ受信ノードビット列および前記復号化された第１長のメッセージ送信ノードビット列を比較して不一致ビット数が第１誤り率値と第２誤り率値を加えた値より少ない場合、前記メッセージ受信ノードに前記メッセージ送信ノードが正当な送信ノードであり、前記第１メッセージのための署名に該当する前記第１長のメッセージ送信ノードビット列および前記第２長の信頼ノードビット列が有効であることを宣言する段階を含む、請求項９に記載の信頼ノードを含むＱＫＤに基づく量子デジタル署名方法。

【請求項14】

信頼ノードによって行われる方法であって、
メッセージ送信ノードとｐａｒｔｉａｌ ＱＫＤ（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｋｅｙ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）を行うことによって第１信頼ノード署名を生成する段階；および
メッセージ受信ノードとｐａｒｔｉａｌ ＱＫＤを行うことによって第２信頼ノード署名を生成する段階を含み、
前記第１信頼ノード署名と前記第２信頼ノード署名のビット列の長さの差（ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）は前記メッセージ送信ノードとの量子チャネルの損失率に基づいて決定される、
信頼ノードを含むＱＫＤに基づく量子デジタル署名方法。

【請求項15】

前記第１信頼ノード署名を生成する段階は、
第１長の信頼ノードビット列を生成する段階を含み、
前記第２信頼ノード署名を生成する段階は、
前記第１長の信頼ノードビット列から第１－１長の信頼ノードビット列が抽出されて前記第１信頼ノード署名を生成する段階；および
前記第１－１長の信頼ノードビット列が抽出された後の残った第１－２長の信頼ノードビット列を用いて前記メッセージ受信ノードと前記ｐａｒｔｉａｌ ＱＫＤを行うための光子の符号化を行う段階をさらに含む、請求項１４に記載の信頼ノードを含むＱＫＤに基づく量子デジタル署名方法。

【請求項16】

信頼ノードによって行われる方法であって、
メッセージ送信ノードから第１メッセージおよび第１長のメッセージ送信ノードビット列を第１秘密鍵で暗号化して生成された暗号化された第１メッセージを受信する段階；
前記第１秘密鍵を用いて前記受信された暗号化された第１メッセージを復号化して、復号化された第１メッセージおよび復号化された第１長のメッセージ送信ノードビット列を抽出する段階；
前記復号化された第１長のメッセージ送信ノードビット列と第１－１長の信頼ノードビット列を比較して前記受信された暗号化された第１メッセージが正当な送信ノードから送信されたものであるか確認する段階；
前記受信された暗号化された第１メッセージが正当な送信ノードから送信されたものである場合、前記復号化された第１メッセージおよび第２長の信頼ノードビット列を第２秘密鍵で暗号化した２次暗号化された第１メッセージをメッセージ受信ノードに伝送する段階；および
前記メッセージ受信ノードから公開された第２長のメッセージ受信ノードビット列および前記復号化された第１長のメッセージ送信ノードビット列に基づいて前記メッセージ受信ノードに前記メッセージ送信ノードが正当な送信ノードであり、前記第１メッセージのための署名が有効であることを宣言する段階を含み、
前記第１秘密鍵は前記メッセージ送信ノードと共有されたものである、
信頼ノードを含むＱＫＤに基づく量子デジタル署名検証方法。

【請求項17】

前記公開された第２長のメッセージ受信ノードビット列は、
前記メッセージ受信ノードによって前記復号化された第２長の信頼ノードビット列および前記第２長のメッセージ受信ノードビット列に基づいて前記受信された２次暗号化された第１メッセージが正当な送信ノードから送信されたものであるか確認された後に前記メッセージ受信ノードによって公開ボード（ｐｕｂｌｉｃ ｂｏａｒｄ）に公開されたものである、請求項１６に記載の信頼ノードを含むＱＫＤに基づく量子デジタル署名方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は信頼ノードを含む３者間ＱＫＤ（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｋｅｙ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）に基づく量子デジタル署名方法およびシステムに関する。

【背景技術】

【0002】

量子デジタル署名技術は安全な情報伝送のために量子物理学の原理を用いてメッセージの送信者と受信者が署名を分配して送信者の身元を証明する技術である。

【0003】

量子デジタル署名は二つの方法が活用される。第一に、ＱＫＤ（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｋｅｙ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）に基づく量子デジタル署名方法があり、第二に、信頼ノードに基づく量子もつれを用いる量子デジタル署名方法がある。

【0004】

第一の方法であるＱＫＤに基づく量子デジタル署名方法の場合、既存のＱＫＤ装備を用いることができるが、メッセージを受信および検証するノードと追加検証するノードの間に直接的な通信が必要である。一般的な状況ではネットワークが論理的にはＦｕｌｌ－ｍｅｓｈ形態であり得るが、実質的な回線構成はツリー、リングなど多様な形態を有するため、特定のノード間の直接通信で上位ノードまたは近接ノードを経ることになるので、盗聴および変調が可能であるという問題がある。

【0005】

図１は従来技術による例示的なＱＫＤを用いる量子デジタル署名方法を説明するための図である。

【0006】

図１を参照すると、例示的なＱＫＤを用いる量子デジタル署名システム６０はＡｌｉｃｅ（受信者）６１、Ｂｏｂ（第１送信者）６２およびＣｈａｒｌｉｅ（第２送信者）６３を含むことができる。

【0007】

先にＡｌｉｃｅ６１とＢｏｂ６２の間のＱＫＤを行うものの、後処理であるｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｒｅｃｏｎｃｉｌｉａｔｉｏｎおよびｐｒｉｖａｃｙ ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎを省略したｐａｒｔｉａｌ ＱＫＤを行って不完全な暗号鍵を生成して署名を生成し、同様にＡｌｉｃｅ６１とＣｈａｒｌｉｅ６３の間のｐａｒｔｉａｌ ＱＫＤを行って不完全な暗号鍵を生成して署名を生成する。

【0008】

その後、メッセージの署名に対する検証方法として、先にＡｌｉｃｅ６１はＢｏｂ６２にメッセージと署名を伝送し、Ｂｏｂ６２は自身の鍵と受信した署名を比較して不一致値の数を記録する。この時、Ｂｏｂ６２は比較結果による不一致値の数が臨界値より少ないとメッセージを受諾した後にＣｈａｒｌｉｅ６３に伝達し、そうでない場合はメッセージを拒否してプロトコルを中断することができる。Ｃｈａｒｌｉｅ６３はＢｏｂ６２と同じ方式で伝達されたメッセージを確認することができる。Ｃｈａｒｌｉｅ６３は自身の鍵と署名を比較して不一致値の数が臨界値より少ないとメッセージを受諾する。ここで、Ｃｈａｒｌｉｅ６３はＡｌｉｃｅ６１の否認防止のためにＢｏｂ６２が用いた臨界値と異なる臨界値を用いることができる。

【0009】

図１の不完全な暗号鍵を署名として用いる具体的な方法については文献「Optics Letters, Vol. 41, No.21 4883-4886(2016)」などに記載されている。

【0010】

上記のようなＱＫＤを用いる量子デジタル署名方法の場合、上位ノードの信頼性に対する検証が不要なＱＫＤ方式を用いてもメッセージを受信するノードと検証するノードの間の直接通信の場合は上位ノードまたは近接ノードで盗聴および変調が可能であるためセキュリティ性を証明することが不完全であるという問題がある。すなわち、ＱＫＤに基づく量子デジタル署名方法は特定のノード間の直接通信ではセキュリティ性を証明するために実際の網構成がＦｕｌｌ－Ｍｅｓｈ構造でなければならないという制約がある。

【0011】

第二の方法である信頼ノードに基づく量子デジタル署名方法の場合、上記のような問題は存在しないが、量子もつれを用いなければならないので、現在の技術では実現がかなり難しく、ＱＫＤとは別のシステムを追加で構築しなければならないという問題もある。したがって、現在多様に構築されているＱＫＤネットワークを活用するためにはＱＫＤに基づくＱＤＳ技法が必要である。

【0012】

図２は従来技術による例示的な信頼ノードに基づく量子デジタル署名方法を説明するための図である。

【0013】

図２を参照すると、信頼ノードに基づく量子署名構造７０は、署名者７１、ＴＣ（Ｔｒｕｓｔ Ｃｅｎｔｅｒ）７２および多数の検証者７３，７４，７５，７６，７７を含むことができる。

【0014】

署名者７１はメッセージに対するハッシュ（ｈａｓｈ）および任意ビット列を生成し、これに基づいてＰａｕｌｉ演算子および任意回転演算子を生成する。署名者７１は量子もつれにＰａｕｌｉ演算子および任意回転演算子を適用する方式で署名を生成してＴＣ７２に伝送する。

【0015】

ＴＣ７２は受信した署名に任意回転演算子を逆演算した後にベル状態測定（Ｂｅｌｌ Ｓｔａｔｅ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ）を行ってＰａｕｌｉ演算子を抽出する。

【0016】

ＴＣ７２は受信メッセージからハッシュ（ｈａｓｈ）計算および任意ビット列を抽出し、任意ビット列を一部公開することにより署名を検証し得る。

【0017】

次に、前記のような署名者７１とＴＣ７２の間の署名検証過程を応用する方式で、ＴＣ７２と多数の検証者７３，７４，７５，７６，７７の間の署名検証過程が行われ、これにより各検証者の署名検証とメッセージを受信したか否かを判断することができる。

【0018】

図２の信頼ノードに基づく量子デジタル署名の具体的な方法については文献「Quantum Inf Process Vol.19, No.18 (2020)」などに記載されている。

【0019】

上記記載をまとめると、第一の方法であるＱＫＤに基づく量子デジタル署名方法は、実際の網構成がＦｕｌｌ－Ｍｅｓｈ構造でなければならないという問題があり、第二の方法である信頼ノードに基づく量子デジタル署名方法は、量子もつれを用いなければならないため、現在の技術では実現が難しく、別のシステムを追加で構築しなければならない問題がある。

【0020】

したがって、量子暗号通信ネットワークの使用性を向上して既存のＱＫＤ装備を用いることができ、網構成がＦｕｌｌ－ｍｅｓｈでない場合にも適用できるように現在の実質的なネットワーク構造を反映した量子デジタル署名方法が求められる。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0021】

本発明が解決しようとする技術的課題は、量子鍵分配方法を用いて量子デジタル署名を行う方法およびシステムを提供することにある。

【0022】

本発明が解決しようとする他の技術的課題は、信頼ノードを用いるツリーネットワーク構造における量子デジタル署名方法およびシステムを提供することにある。

【0023】

本発明が解決しようとするまた他の技術的課題は、いくつかのノードが連結されていないＰａｒｔｉａｌ Ｍｅｓｈ網でも利用可能な量子デジタル署名方法およびシステムを提供することにある。

【0024】

本発明が解決しようとするまた他の技術的課題は、量子もつれ特性を用いない量子デジタル署名方法を提供することにある。

【0025】

本発明の技術的課題は、以上で言及した技術的課題に制限されず、言及されていないまた他の技術的課題は以下の記載から本発明の技術分野での通常の技術者に明確に理解されるものである。

【課題を解決するための手段】

【0026】

前記技術的課題を解決するための本発明の一実施形態による信頼ノードを含むＱＫＤに基づく量子デジタル署名方法は、信頼ノードによって行われる方法であって、メッセージ送信ノードと第１秘密鍵を共有する段階、メッセージ受信ノードと第２秘密鍵を共有する段階、前記メッセージ送信ノードとｐａｒｔｉａｌ ＱＫＤ（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｋｅｙ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）を行うことによって第１信頼ノード署名を生成する段階、前記メッセージ受信ノードとｐａｒｔｉａｌ ＱＫＤを行うことによって第２信頼ノード署名を生成する段階および前記共有された第１秘密鍵、前記共有された第２秘密鍵、前記第１信頼ノード署名および前記第２信頼ノード署名を用いて第１メッセージの検証を行う段階を含み得る。

【0027】

いくつかの実施形態で、前記メッセージ送信ノードと第１秘密鍵を共有する段階は、前記メッセージ送信ノードとＱＫＤ方式で第３長のビット列を共有する段階を含み、前記メッセージ受信ノードと第２秘密鍵を共有する段階は、前記メッセージ受信ノードとＱＫＤ方式で第４長のビット列を共有する段階を含み、前記第１秘密鍵は前記第３長のビット列から抽出されて生成されたものであり、前記第２秘密鍵は前記第４長のビット列から抽出されて生成されたものであり得る。ここで、前記第３長のビット列および前記第４長のビット列は前記メッセージ送信ノードとの量子チャネルの損失率に基づいて決定され得る。また、前記第３長のビット列のうち第３－１長のビット列を公開し、前記第４長のビット列のうち第４－１長のビット列を公開する段階をさらに含み、前記第３－１長のビット列および前記第４－１長のビット列は互いに同じ長さを有し得る。

【0028】

いくつかの実施形態で、前記公開された第３－１長のビット列を用いて前記メッセージ送信ノードとの前記ｐａｒｔｉａｌ ＱＫＤによる第１誤り率を確認し、前記公開された第４－１長のビット列を用いて前記メッセージ受信ノードとの前記ｐａｒｔｉａｌ ＱＫＤによる第２誤り率を確認する段階をさらに含み得る。

【0029】

いくつかの実施形態で、前記第１信頼ノード署名を生成する段階は、第１長の信頼ノードビット列を生成する段階を含み、前記第２信頼ノード署名は第２長の信頼ノードビット列であり、前記第１長と前記第２長の差（ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）は前記メッセージ送信ノードとの量子チャネルの損失率に基づいて決定され得る。ここで、前記第１信頼ノード署名を生成する段階は、前記第１長の信頼ノードビット列に基づいて第１－１長の信頼ノードビット列をランダムに抽出して前記第１信頼ノード署名を生成する段階を含み得る。また、前記第２信頼ノード署名を生成する段階は、前記第１長の信頼ノードビット列から前記第１－１長の信頼ノードビット列が抽出され、残った第１－２長の信頼ノードビット列を用いて前記メッセージ受信ノードとの前記ｐａｒｔｉａｌ ＱＫＤを行うための光子の符号化を行う段階をさらに含み得る。

【0030】

いくつかの実施形態で、前記第１メッセージの検証を行う段階は、前記メッセージ送信ノードから前記第１メッセージおよび前記第１長のメッセージ送信ノードビット列を前記共有された第１秘密鍵で暗号化して生成された暗号化された第１メッセージを受信する段階、前記共有された第１秘密鍵を用いて前記受信された暗号化された第１メッセージを復号化して、復号化第１メッセージおよび復号化第１長のメッセージ送信ノードビット列を抽出する段階、前記復号化第１長のメッセージ送信ノードビット列と前記第１－１長の信頼ノードビット列を比較して前記受信された暗号化された第１メッセージが正当な送信ノードから送信されたものであるか確認する段階、前記受信された暗号化された第１メッセージが正当な送信ノードから送信されたものである場合、前記復号化第１メッセージおよび前記第２長の信頼ノードビット列を前記共有された第２秘密鍵で暗号化した２次暗号化された第１メッセージを前記メッセージ受信ノードに伝送する段階、前記メッセージ受信ノードから公開された第２長のメッセージ受信ノードビット列および前記復号化第１長のメッセージ送信ノードビット列に基づいて前記メッセージ受信ノードに前記メッセージ送信ノードが正当な送信ノードであり、前記第１メッセージのための署名が有効であることを宣言する段階を含み得る。

【0031】

いくつかの実施形態で、前記公開された第２長のメッセージ受信ノードビット列は、前記メッセージ受信ノードによって前記復号化第２長の信頼ノードビット列および前記第２長のメッセージ受信ノードビット列に基づいて前記受信された２次暗号化された第１メッセージが正当な送信ノードから送信されたものであるか確認された後に前記メッセージ受信ノードによってｐｕｂｌｉｃ ｂｏａｒｄに公開されたものであり得る。ここで、前記受信された２次暗号化された第１メッセージが正当な送信ノードから送信されたものであるか確認されることは、前記メッセージ受信ノードによって前記復号化第２長の信頼ノードビット列と前記第２長のメッセージ受信ノードビット列を比較して不一致ビット数が第２誤り率値より少ない場合、前記受信された２次暗号化された第１メッセージが正当な送信ノードから送信されたものと確認されることであり得る。

【0032】

いくつかの実施形態で、前記受信された暗号化された第１メッセージが正当な送信ノードから送信されたものであるか確認する段階は、前記復号化第１長のメッセージ送信ノードビット列と前記第１－１長の信頼ノードビット列を比較して不一致ビット数が第１誤り率値より少ない場合、前記受信された暗号化された第１メッセージが正当な送信ノードから送信されたものと確認する段階を含み得る。

【0033】

いくつかの実施形態で、前記メッセージ送信ノードが正当な送信ノードであり、前記第１メッセージのための署名が有効であることを宣言する段階は、前記公開された第２長のメッセージ受信ノードビット列および前記復号化第１長のメッセージ送信ノードビット列を比較して不一致ビット数が第１誤り率値と第２誤り率値を加えた値より少ない場合、前記メッセージ受信ノードに前記メッセージ送信ノードが正当な送信ノードであり、前記第１メッセージのための署名に該当する前記第１長のメッセージ送信ノードビット列および前記第２長の信頼ノードビット列が有効であることを宣言する段階を含み得る。

【0034】

本発明の他の実施形態による信頼ノードを含むＱＫＤに基づく量子デジタル署名方法は、信頼ノードによって行われる方法であって、メッセージ送信ノードとｐａｒｔｉａｌ ＱＫＤ（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｋｅｙ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）を行うことによって第１信頼ノード署名を生成する段階およびメッセージ受信ノードとｐａｒｔｉａｌ ＱＫＤを行うことによって第２信頼ノード署名を生成する段階を含み、前記第１信頼ノード署名と前記第２信頼ノード署名のビット列の長さの差（ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）は前記メッセージ送信ノードとの量子チャネルの損失率に基づいて決定され得る。ここで、前記第１信頼ノード署名を生成する段階は、第１長の信頼ノードビット列を生成する段階を含み、前記第２信頼ノード署名を生成する段階は、前記第１長の信頼ノードビット列から第１－１長の信頼ノードビット列が抽出されて前記第１信頼ノード署名を生成する段階；および前記第１－１長の信頼ノードビット列が抽出された後の残った第１－２長の信頼ノードビット列を用いて前記メッセージ受信ノードと前記ｐａｒｔｉａｌ ＱＫＤを行うための光子の符号化を行う段階をさらに含み得る。

【0035】

本発明のまた他の実施形態による信頼ノードを含むＱＫＤに基づく量子デジタル署名検証方法は、信頼ノードによって行われる方法であって、メッセージ送信ノードから第１メッセージおよび第１長のメッセージ送信ノードビット列を第１秘密鍵で暗号化して生成された暗号化された第１メッセージを受信する段階、前記第１秘密鍵を用いて前記受信された暗号化された第１メッセージを復号化して、復号化第１メッセージおよび復号化第１長のメッセージ送信ノードビット列を抽出する段階、前記復号化第１長のメッセージ送信ノードビット列と前記第１－１長の信頼ノードビット列を比較して前記受信された暗号化された第１メッセージが正当な送信ノードから送信されたものであるか確認する段階、前記受信された暗号化された第１メッセージが正当な送信ノードから送信されたものである場合、前記復号化第１メッセージおよび前記第２長の信頼ノードビット列を第２秘密鍵で暗号化した２次暗号化された第１メッセージをメッセージ受信ノードに伝送する段階、前記メッセージ受信ノードから公開された第２長のメッセージ受信ノードビット列および前記復号化第１長のメッセージ送信ノードビット列に基づいて前記メッセージ受信ノードに前記メッセージ送信ノードが正当な送信ノードであり、前記第１メッセージのための署名が有効であることを宣言する段階を含み、前記第１秘密鍵は前記メッセージ送信ノードと共有されたものであり得る。ここで、前記公開された第２長のメッセージ受信ノードビット列は、前記メッセージ受信ノードによって前記復号化第２長の信頼ノードビット列および前記第２長のメッセージ受信ノードビット列に基づいて前記受信された２次暗号化された第１メッセージが正当な送信ノードから送信されたものであるか確認された後に前記メッセージ受信ノードによってｐｕｂｌｉｃ ｂｏａｒｄに公開されたものであり得る。

【図面の簡単な説明】

【0036】

【図1】従来技術による例示的なＱＫＤを用いる量子デジタル署名方法を説明するための図である。

【図2】従来技術による例示的な信頼ノードに基づく量子デジタル署名方法を説明するための図である。

【図3】本発明の一実施形態による信頼ノードを含むＱＫＤに基づく量子デジタル署名システムの構成図である。

【図4】本発明の他の実施形態による信頼ノードを含むＱＫＤに基づく量子デジタル署名方法のフローチャートである。

【図5】図４を参照して説明したメッセージ送信ノードと第１秘密鍵を共有する方法を詳細に説明するための詳細フローチャートである。

【図6】図４を参照して説明したメッセージ受信ノードと第２秘密鍵を共有する方法を詳細に説明するための詳細フローチャートである。

【図7】図４を参照して説明したメッセージ送信ノードとｐａｒｔｉａｌ ＱＫＤを行う方法の一実施形態を詳細に説明するための詳細フローチャートである。

【図8】図４を参照して説明したメッセージ受信ノードとｐａｒｔｉａｌ ＱＫＤを行う方法の一実施形態を詳細に説明するための詳細フローチャートである。

【図9】本発明のまた他の実施形態によるＱＫＤに基づく量子デジタル署名検証方法を説明するためのフローチャートである。

【図10】図９を参照して説明した暗号化された第１メッセージを検証する方法を詳細に説明するための詳細フローチャートである。

【図11】図９を参照して説明したメッセージ受信ノードによって２次暗号化された第１メッセージが検証される方法を詳細に説明するための詳細フローチャートである。

【図12】図９を参照して説明した第１メッセージに対する最終検証方法を詳細に説明するための詳細フローチャートである。

【図13】本発明のいくつかの実施形態によるコンピューティングシステムのハードウェア構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0037】

以下、添付する図面を参照して本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。本発明の利点および特徴、並びにこれらを達成する方法は添付する図面と共に詳細に後述している実施形態を参照すると明確になる。しかし、本発明の技術的思想は以下の実施形態に限定されるものではなく、互いに異なる多様な形態で実現することができ、以下の実施形態は単に本発明の技術的思想を完全なようにし、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者に本発明の範疇を完全に知らせるために提供するものであり、本発明の技術的思想は請求項の範疇によってのみ定義される。

【0038】

本発明を説明するにあたり、関連する公知の構成または機能に係る具体的な説明が本発明の要旨を曖昧にすると判断される場合はその詳細な説明を省略する。

【0039】

以下、図面を参照して本発明のいくつかの実施形態を説明する。

【0040】

図３は本発明の一実施形態による信頼ノードを含むＱＫＤに基づく量子デジタル署名システムの構成図である。

【0041】

図３を参照すると、本実施形態による信頼ノードを含むＱＫＤに基づく量子デジタル署名システムは、メッセージ送信ノード１０、信頼ノード２０、メッセージ受信ノード３０、第１量子チャネル４０および第２量子チャネル５０を含むことができる。

【0042】

メッセージ送信ノード１０は第１メッセージを暗号化してメッセージ受信ノード３０に伝達し、第１メッセージは伝達過程で信頼ノード２０を経て伝達し得る。

【0043】

メッセージ受信ノード３０はメッセージ送信ノード１０から送信された第１メッセージを信頼ノード２０を経て伝達され得る。この過程で、メッセージ受信ノード３０は信頼ノード２０から伝達された第１メッセージの署名を検証することができる。

【0044】

信頼ノード２０はメッセージ送信ノード１０から第１メッセージを受信して、メッセージ受信ノード３０に伝達する役割をする。ここで、信頼ノード２０は、量子通信（ｑｕａｎｔｕｍ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）のために構築されたネットワークノードであって、ノードの信頼性が保障されると仮定したノードであり得る。

【0045】

信頼ノード２０はメッセージ送信ノード１０およびメッセージ受信ノード３０との関係で鍵および署名を生成できる。

【0046】

一実施形態によれば、信頼ノード２０はメッセージ送信ノード１０とＱＫＤを行い得る。メッセージ送信ノード１０とＱＫＤを行うことによって指定された長さのビット列をメッセージ送信ノード１０と共有することができる。例えば、信頼ノード２０がメッセージ送信ノード１０とｎ＊Ｌ＋ｋ＋１長のビット列を共有するＱＫＤを行う場合、メッセージ送信ノード１０はｎ＊Ｌ＋ｋ＋１長のビット列を生成し、これと同時に信頼ノード２０もｎ＊Ｌ＋ｋ＋１長のビット列を生成できる。ここで、ｎ、Ｌおよびｋは１以上の正の整数を意味し、以下、本発明の他の部分においても同様に理解される。

【0047】

同様の方法により、信頼ノード２０はメッセージ受信ノード３０とＱＫＤを行うことができる。メッセージ受信ノード３０とＱＫＤを行うことによって指定された長さのビット列をメッセージ受信ノード３０と共有することができる。例えば信頼ノード２０がメッセージ受信ノード３０とＬ＋ｋ＋１長のビット列を共有するＱＫＤを行う場合、メッセージ受信ノード３０はＬ＋ｋ＋１長のビット列を生成し、これと同時に信頼ノード２０もＬ＋ｋ＋１長のビット列を生成できる。

【0048】

ここで、信頼ノード２０とメッセージ送信ノード１０の間のＱＫＤの実行は第１量子チャネル４０を介して行われ得る。また、信頼ノード２０とメッセージ受信ノード３０の間のＱＫＤの実行は第２量子チャネル５０を介して行われ得る。すなわち、ＱＫＤは量子物理の特性を用いて暗号鍵を交換する技術であって、既存の通信ネットワークとは別の量子チャネル（Ｑｕａｎｔｕｍ ｃｈａｎｎｅｌ）が用いられる。

【0049】

一実施形態によれば、信頼ノード２０はメッセージ送信ノード１０とのＱＫＤ過程で生成されたｎ＊Ｌ＋ｋ＋１長のビット列のうちｋ長のビット列を公開して第１量子チャネル４０の誤り率（Ｓａ）を算定し、メッセージ受信ノード３０とのＱＫＤ過程で生成されたＬ＋ｋ＋１長のビット列のうちｋ長のビット列を公開して第２量子チャネル５０の誤り率（Ｓｂ）を算定することができる。

【0050】

一実施形態によれば、信頼ノード２０はメッセージ送信ノード１０とのＱＫＤ過程で第１量子チャネル４０の損失率を算定し、メッセージ受信ノード３０とのＱＫＤ過程で第２量子チャネル５０の損失率を算定することができる。

【0051】

一実施形態によれば、信頼ノード２０はメッセージ送信ノード１０と対称鍵を交換することができる。前記対称鍵の交換方法は、従来より知られている多様なアルゴリズムが活用され得るのはもちろんであり、上述した第１量子チャネル４０を介してＱＫＤを行って特定の長さのビット列を共有する方式を活用できる。

【0052】

上述した実施形態によれば、信頼ノード２０がメッセージ送信ノード１０およびメッセージ受信ノード３０とＱＫＤを行うことによって、秘密鍵を共有することができ、それぞれの量子チャネル４０，５０の損失率を算定することができる。さらに、信頼ノード２０はメッセージ送信ノード１０およびメッセージ受信ノード３０とＱＫＤを行って共有されたビット列のうち一部を公開することによって各量子チャネル４０，５０の誤り率を算定することができる。

【0053】

一実施形態によれば、信頼ノード２０は第１メッセージを暗号化した第１暗号化メッセージをメッセージ送信ノード１０から受信して復号化した後、前記第１メッセージを再び２次的に暗号化した第２暗号化メッセージをメッセージ受信ノード３０に送信し得る。ここで、第１暗号化メッセージと第２暗号化メッセージの送受信はパブリックチャンネル（Ｐｕｂｌｉｃ ｃｈａｎｎｅｌ）を用いて行われ得る。ここで、パブリックチャンネルは、例えば、従来より知られているＴＣＰ／ＩＰプロトコルを活用できる。

【0054】

一実施形態によれば、信頼ノード２０は暗号化された第１メッセージの検証のための署名を生成できる。ここで、署名生成方法としてはｐａｒｔｉａｌ ＱＫＤを活用できる。

【0055】

例えば、信頼ノード２０はメッセージ送信ノード１０と後処理過程が含まれないｐａｒｔｉａｌ ＱＫＤを行うことによってｎ＊Ｌ長のビット列を交換（共有）できる。ここで、メッセージ送信ノード１０はｎ＊Ｌ長のビット列を第１メッセージ送信ノード署名として活用できる。あるいは、メッセージ送信ノード１０はｎ＊Ｌ長のビット列のうち一部のみを第１メッセージ送信ノード署名として活用できる。信頼ノード２０も生成されたｎ＊Ｌ長のビット列を第１信頼ノード署名として活用するか、ｎ＊Ｌ長のビット列のうちＬ長のビット列のみをランダムに抽出して第１信頼ノード署名として活用できる。

【0056】

信頼ノード２０は前記メッセージ送信ノード１０とｐａｒｔｉａｌ ＱＫＤを行った後、メッセージ受信ノード３０とｐａｒｔｉａｌ ＱＫＤを行ってＬ長のビット列を共有し得る。ここで、メッセージ受信ノード３０はＬ長のビット列を第１メッセージ受信ノード署名として活用できる。あるいは、メッセージ受信ノード３０はＬ長のビット列のうち一部のみを第１メッセージ受信ノード署名として活用できる。信頼ノード２０も生成されたＬ長のビット列を第２信頼ノード署名として活用するか、Ｌ長のビット列のうち一部のみを第２信頼ノード署名として活用できる。

【0057】

一実施形態によれば、信頼ノード２０はメッセージ送信ノード１０とのｐａｒｔｉａｌ ＱＫＤ過程で生成されたｎ＊Ｌ長のビット列のうち（ｎ－１）＊Ｌ長のビット列をメッセージ受信ノード３０とのｐａｒｔｉａｌ ＱＫＤを行うために用いることができる。ここで、（ｎ－１）＊Ｌ長のビット列はメッセージ受信ノード３０とのｐａｒｔｉａｌ ＱＫＤ過程で光子の符号化をするためのビット列として活用できる。

【0058】

信頼ノード２０はメッセージ送信ノード１０およびメッセージ受信ノード３０との関係で生成された署名を検証し得る。

【0059】

一実施形態によれば、信頼ノード２０はメッセージ送信ノード１０から暗号化された第１メッセージを受信し得る。ここで、暗号化された第１メッセージは、メッセージ送信ノード１０が第１メッセージおよび第１メッセージ送信ノード署名を共有された第１秘密鍵で暗号化したメッセージであり得る。ここで、第１メッセージ送信ノード署名は第１長のメッセージ送信ノードビット列であり得、共有された第１秘密鍵はＱＫＤ方式で共有された第３長のビット列から抽出されて生成されたものであり得る。

【0060】

一実施形態によれば、信頼ノード２０は共有された第１秘密鍵を用いて暗号化された第１メッセージを復号化し得る。ここで、共有された第１秘密鍵は前述のようにＱＫＤ方式で共有された第３長のビット列から抽出されて生成されたものであり得る。

【0061】

一実施形態によれば、信頼ノード２０は保管中の第１信頼ノード署名を用いてメッセージ送信ノード１０から受信した暗号化された第１メッセージを検証することができる。ここで、第１信頼ノード署名は生成されたｎ＊Ｌ長のビット列のうちランダムに抽出して保管されたＬ長のビット列であり得る。

【0062】

一実施形態によれば、信頼ノード２０は受信された暗号化された第１メッセージが検証された場合、暗号化された第１メッセージを復号化して復号化された第１メッセージおよび第２長の信頼ノードビット列を共有された第２秘密鍵で２次暗号化し、２次暗号化された第１メッセージをメッセージ受信ノード３０に伝送することができる。

【0063】

一実施形態によれば、信頼ノード２０はメッセージ受信ノード３０から公開された第２長のメッセージ受信ノードビット列および復号化された第１長のメッセージ送信ノードビット列に基づいてメッセージ受信ノード３０に前記メッセージ送信ノード１０が正当な送信ノードであり、前記第１メッセージのための署名が有効であることを最終的に宣言することができる。

【0064】

上述した実施形態によれば、ｐａｒｔｉａｌ ＱＫＤ方法を用いて信頼ノードにより３者間デジタル署名を生成することによって、量子もつれの概念を活用せず、暗号通信ネットワークがＦｕｌｌ－ｍｅｓｈ構造でない場合にも量子デジタル署名方法を用いることができる。

【0065】

信頼ノードを含むＱＫＤに基づく量子デジタル署名システムのそれぞれの構成要素は機能的に区分される機能要素を示したものであり、実際の物理的環境では複数の構成要素が互いに統合される形態で実現できることに留意されたい。例えば、信頼ノード２０の少なくとも一部は一つの物理的なコンピューティング装置内で互いに異なるロジック（ｌｏｇｉｃ）の形態で実現することができる。

【0066】

また、実際の物理的環境で前記それぞれの構成要素は複数の細部機能要素に分離される形態で実現されることもできる。例えば、信頼ノード２０の第１機能は第１コンピューティング装置で実施され、第２機能は第２コンピューティング装置で 実施されることもできる。

【0067】

また、図１に示すように、メッセージ送信ノード１０およびメッセージ受信ノード３０と信頼ノード２０はネットワークを通じて通信することができる。ここで、前記ネットワークはローカルエリアネットワーク（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ；ＬＡＮ）、ワイドエリアネットワーク（Ｗｉｄｅ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ；ＷＡＮ）、移動通信網（ｍｏｂｉｌｅ ｒａｄｉｏ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｎｅｔｗｏｒｋ）、Ｗｉｂｒｏ（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｂｒｏａｄｂａｎｄ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ）などのようなすべての種類の有線／無線ネットワークとして実現されることができる。

【0068】

これまで図３を参照して本発明の一実施形態による信頼ノードを含むＱＫＤに基づく量子デジタル署名システムとネットワーク環境について説明した。以下では、本発明の多様な実施形態による信頼ノードを含むＱＫＤに基づく量子デジタル署名方法について詳細に説明する。理解の便宜を提供するために、図３に示す環境を仮定して引き続き前記方法に係る説明をするが、当該技術分野の当業者であれば、信頼ノードを含むＱＫＤに基づく量子デジタル署名システムの環境はいくらでも変形できることを理解できるであろう。

【0069】

以下に後述する方法の各段階はコンピューティング装置によって行われることができる。言い換えれば、前記方法の各段階は、コンピューティング装置のプロセッサによって実行される一つ以上のインストラクションとして実現されることができる。前記方法に含まれるすべての段階は一つの物理的なコンピューティング装置によって実行されることもできるが、前記方法の第１段階は第１コンピューティング装置によって行われ、前記方法の第２段階は第２コンピューティング装置によって行われることもできる。すなわち、前記方法の各段階はコンピューティングシステムによって行われることができる。以下では、他に言及がない限り、前記方法の各段階が信頼ノード２０により行われることを仮定して引き続き説明する。ただし、説明の便宜上、前記方法に含まれる各段階の動作の主体はその記載を省略することもある。また、後述する方法は必要に応じて論理的に実行順序を変更できる範囲内で各動作の実行順序を変更できるのはもちろんである。

【0070】

図４は本発明の他の実施形態による信頼ノードを含むＱＫＤに基づく量子デジタル署名方法のフローチャートである。

【0071】

Ｓ１００段階で、信頼ノード２０とメッセージ送信ノード１０の間の第１秘密鍵が共有される。ここで、第１秘密鍵は対称鍵を意味する。また、第１秘密鍵はＱＫＤ方法で共有された第３長のビット列から抽出されて生成されたものであり得る。

【0072】

一実施形態によれば、信頼ノード２０とメッセージ送信ノード１０の間のＱＫＤ方法を用いて前記第１秘密鍵が共有される。

【0073】

以下、図５を参照して、信頼ノード２０とメッセージ送信ノード１０の間の第１秘密鍵を共有する一実施形態を説明する。

【0074】

図５を参照すると、先に信頼ノード２０およびメッセージ送信ノード１０がｎ＊Ｌ＋ｋ＋１ビット列を共有し（Ｓ１１０）、共有されたｎ＊Ｌ＋ｋ＋１ビット列は共有された第３長のビット列を意味する。

【0075】

Ｓ１２０段階で、信頼ノード２０は共有されたｎ＊Ｌ＋ｋ＋１ビット列のうちｋビット列を公開する。

【0076】

Ｓ１３０段階で、信頼ノード２０は公開されたｋビット列を用いてメッセージ送信ノード１０との第１誤り率（Ｓａ）を算定する。ここで、第１誤り率（Ｓａ）は信頼ノード２０とメッセージ送信ノード１０の間の第１量子チャネル４０の誤り率を意味する。

【0077】

一実施形態によれば、ｎ＊Ｌ＋ｋ＋１ビット列から抽出されたｎ＊Ｌ長のビット列はメッセージ送信ノード１０と信頼ノード２０の間の第１秘密鍵であり得る。ここで第１秘密鍵は対称鍵を意味する。

【0078】

一実施形態によれば、ｎ＊Ｌ＋ｋ＋１ビット列でのｎ値は第１量子チャネル４０の損失率を考慮した値であり得る。ここで、第１量子チャネル４０の損失率は信頼ノード２０とメッセージ送信ノード１０の間のＱＫＤ過程で算定された値であり得る。

【0079】

再び図４を参照すると、Ｓ２００段階で、信頼ノード２０とメッセージ受信ノード３０の間の第２秘密鍵が共有される。ここで、第２秘密鍵は対称鍵を意味する。ここで、第２秘密鍵は信頼ノード２０とメッセージ受信ノード３０の間のＱＫＤ方法を行って共有された第４長のビット列から抽出されて生成されたものであり得る。

【0080】

一実施形態によれば、信頼ノード２０とメッセージ受信ノード３０の間のＱＫＤ方法を用いて前記第２秘密鍵が共有される。

【0081】

以下、図６を参照して、信頼ノード２０とメッセージ受信ノード３０の間の第２秘密鍵を共有する一実施形態について説明する。

【0082】

図６を参照すると、先に信頼ノード２０およびメッセージ受信ノード３０がＬ＋ｋ＋１ビット列を共有し（Ｓ２１０）、共有されたＬ＋ｋ＋１ビット列は共有された第４長のビット列であり得る。

【0083】

Ｓ２２０段階で、信頼ノード２０は共有されたＬ＋ｋ＋１ビット列のうちｋビット列を公開する。

【0084】

Ｓ２３０段階で、信頼ノード２０は公開されたｋビット列を用いてメッセージ受信ノード３０との第２誤り率（Ｓｂ）を算定する。ここで、第２誤り率（Ｓｂ）は信頼ノード２０とメッセージ受信ノード３０の間の第２量子チャネル５０の誤り率を意味する。

【0085】

一実施形態で共有されたＬ＋ｋ＋１ビット列のうちＬビット列はメッセージ受信ノード３０と信頼ノード２０の間の共有された第２秘密鍵であり得る。ここで第２秘密鍵は対称鍵を意味する。

【0086】

一実施形態によれば、信頼ノード２０とメッセージ送信ノード１０の間の共有されたｎ＊Ｌ＋ｋ＋１ビット列、および信頼ノード２０とメッセージ受信ノード３０の間の共有されたＬ＋ｋ＋１ビット列は第１量子チャネル４０の損失率に基づいて決定される。

【0087】

一実施形態によれば、Ｓ１２０段階で公開されたｋビット列およびＳ２２０段階で公開されたｋビット列は互いに同じ長さを有する別個のビット列であり得る。

【0088】

上述した実施形態によれば、信頼ノード２０がメッセージ送信ノード１０およびメッセージ受信ノード３０と後処理過程を含むＱＫＤを行うことによって、秘密鍵を共有でき、それぞれの量子チャネル４０，５０の損失率を算定することができる。さらに、信頼ノード２０はメッセージ送信ノード１０およびメッセージ受信ノード３０とＱＫＤを行って共有されたビット列のうち一部を公開することによって各量子チャネル４０，５０の誤り率を算定することができる。

【0089】

再び図４を参照すると、Ｓ３００段階で信頼ノード２０とメッセージ送信ノード１０の間のｐａｒｔｉａｌ ＱＫＤが行われ得る。

【0090】

一実施形態によれば、信頼ノード２０とメッセージ送信ノード１０の間のｐａｒｔｉａｌ ＱＫＤを行うことによって信頼ノード２０は第１信頼ノード署名を生成し、メッセージ送信ノード１０は第１メッセージ送信ノード署名を生成できる。

【0091】

一実施形態によれば、信頼ノード２０とメッセージ送信ノード１０の間のｎ＊Ｌビット列の長さだけのｐａｒｔｉａｌ ＱＫＤを行うことによって信頼ノード２０はｎ＊Ｌビット列を生成でき、メッセージ送信ノード１０も同様にｎ＊Ｌビット列を生成できる。

【0092】

ここで、信頼ノード２０に生成されたｎ＊Ｌビット列は第１長の信頼ノードビット列であり得、メッセージ送信ノード１０に生成されたｎ＊Ｌビット列は第１長のメッセージ送信ノードビット列であり得る。

【0093】

一実施形態によれば、第１長の信頼ノードビット列は第１信頼ノード署名であり得、第１長のメッセージ送信ノードビット列は第１メッセージ送信ノード署名であり得る。

【0094】

以下、図７を参照して、信頼ノード２０とメッセージ送信ノード１０の間のｐａｒｔｉａｌ ＱＫＤを行う方法の一実施形態について説明する。

【0095】

先に、Ｓ３１０段階で、信頼ノード２０はメッセージ送信ノード１０とのｐａｒｔｉａｌ ＱＫＤを行うことによってｎ＊Ｌ長のビット列を生成する。

【0096】

Ｓ３２０段階で、生成されたｎ＊Ｌ長のビット列のうちＬ長のビット列がランダムに抽出される。

【0097】

一実施形態によれば、抽出されたＬ長のビット列は第１信頼ノード署名であり得る。

【0098】

一実施形態によれば、ｎ＊Ｌ長のビット列のうちＬ長のビット列が抽出され、残った（ｎ－１）＊Ｌ長のビット列はメッセージ受信ノード３０とのｐａｒｔｉａｌ ＱＫＤ過程に用いられ、これについては以下で図８を参照して再び説明する。

【0099】

再び図４を参照すると、Ｓ４００段階で信頼ノード２０とメッセージ受信ノード３０の間のｐａｒｔｉａｌ ＱＫＤが行われ得る。

【0100】

一実施形態によれば、信頼ノード２０とメッセージ受信ノード３０の間のｐａｒｔｉａｌ ＱＫＤを行うことによって、信頼ノード２０は第２信頼ノード署名を生成し、メッセージ受信ノード３０は第１メッセージ受信ノード署名を生成できる。

【0101】

一実施形態によれば、信頼ノード２０とメッセージ受信ノード３０の間のＬビット列の長さだけのｐａｒｔｉａｌ ＱＫＤを行うことによって、信頼ノード２０はＬビット列を生成でき、メッセージ受信ノード３０も同様にＬ長のビット列を生成できる。

【0102】

ここで、信頼ノード２０に生成されたＬ長のビット列は第２長の信頼ノードビット列であり得、メッセージ受信ノード３０に生成されたＬ長のビット列は第２長のメッセージ受信ノードビット列であり得る。

【0103】

一実施形態によれば、第２長の信頼ノードビット列は第２信頼ノード署名であり得、第２長のメッセージ受信ノードビット列は第１メッセージ受信ノード署名であり得る。

【0104】

一実施形態によれば、Ｓ３００段階での第１長およびＳ４００段階での第２長の差（ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）は第１量子チャネル４０の損失率に基づいて決定される。

【0105】

以下、図８を参照して、信頼ノード２０とメッセージ受信ノード３０の間のｐａｒｔｉａｌ ＱＫＤを行う方法の一実施形態を説明する。

【0106】

先に、Ｓ４１０段階で、信頼ノード２０はｎ＊Ｌ長のビット列のうちＬ長のビット列が抽出され、残った（ｎ－１）＊Ｌ長のビット列をメッセージ受信ノード３０とのｐａｒｔｉａｌ ＱＫＤ過程に用いる。ここで、前記（ｎ－１）＊Ｌ長のビット列はメッセージ受信ノード３０とのｐａｒｔｉａｌ ＱＫＤを行うための光子の符号化を行うのに用いる。

【0107】

Ｓ４２０段階で、信頼ノード２０はメッセージ受信ノード３０とのｐａｒｔｉａｌ ＱＫＤを行うことによってＬ長のビット列を生成する。また、メッセージ受信ノード３０もＬ長のビット列を生成できる。

【0108】

ここで、メッセージ受信ノード３０とのｐａｒｔｉａｌ ＱＫＤ過程で前述したように信頼ノード２０で保管中の（ｎ－１）＊Ｌ長のビット列が光子の符号化を行うのに用いられる。

【0109】

上述した実施形態によれば、信頼ノード２０はメッセージ送信ノード１０とｐａｒｔｉａｌ ＱＫＤを行って共有されたビット列を活用して、第１信頼ノード署名を生成すると同時にメッセージ受信ノード３０とのｐａｒｔｉａｌ ＱＫＤをするにおいて光子の符号化を行うためのビット列を確保することができる。

【0110】

図９は本発明のまた他の実施形態によるＱＫＤに基づく量子デジタル署名の検証方法を説明するためのフローチャートである。

【0111】

図９を参照すると、Ｓ５００段階で、信頼ノード２０はメッセージ送信ノード１０から暗号化された第１メッセージを受信する。

【0112】

一実施形態によれば、暗号化された第１メッセージはメッセージ送信ノード１０により第１メッセージおよび第１長のメッセージ送信ノードビット列を共有された第１秘密鍵で暗号化して生成されたものであり得る。

【0113】

ここで、第１長のメッセージ送信ノードビット列はメッセージ送信ノード１０と信頼ノード２０の間のｐａｒｔｉａｌ ＱＫＤを行って生成されたｎ＊Ｌ長のビット列であり得、第１長のメッセージ送信ノードビット列は第１メッセージ送信ノード署名であり得る。

【0114】

ここで、共有された第１秘密鍵は信頼ノード２０とメッセージ送信ノード１０の間のＱＫＤを行って共有されたｎ＊Ｌ＋ｋ＋１長のビット列のうち抽出されたｎ＊Ｌ長のビット列であり得る。

【0115】

一実施形態によれば、前記共有された第１秘密鍵は共有された対称鍵を意味する。ここで、信頼ノード２０およびメッセージ送信ノード１０は従来より知られている多様なアルゴリズムを活用した対称鍵を共有することができる。

【0116】

Ｓ６００段階で、信頼ノード２０は暗号化された第１メッセージを検証する。

【0117】

一実施形態によれば、先に信頼ノード２０は共有された第１秘密鍵を用いて受信された暗号化された第１メッセージを復号化でき、復号化の結果として復号化された第１メッセージおよび復号化された第１長のメッセージ送信ノードビット列を抽出することができる。

【0118】

ここで、復号化された第１メッセージはメッセージ送信ノード１０により暗号化された第１メッセージを生成するために用いられた第１メッセージと同じメッセージであり得、復号化された第１長のメッセージ送信ノードビット列は暗号化された第１メッセージを生成するために用いられた第１長のメッセージ送信ノードビット列と同じビット列であり得る。

【0119】

一実施形態によれば、信頼ノード２０は暗号化された第１メッセージを復号化した後に前記復号化された第１長のメッセージ送信ノードビット列と前記第１－１長の信頼ノードビット列を比較して前記受信された暗号化された第１メッセージが正当な送信ノードから送信されたものであるかを検証することができる。

【0120】

ここで、第１－１長の信頼ノードビット列は第１長の信頼ノードビット列に基づいてランダムに抽出された第１信頼ノード署名であり得、第１－１長はＬ長のビット列であり得、第１長はｎ＊Ｌ長のビット列であり得る。

【0121】

以下、図１０を参照して、暗号化された第１メッセージを検証する方法の一実施形態について説明する。

【0122】

Ｓ６１０段階で、信頼ノード２０は第１メッセージ送信ノード署名と第１信頼ノード署名の間の不一致ビット数が第１誤り率（Ｓａ）値未満であるかを判定する。

【0123】

ここで、第１メッセージ送信ノード署名は、メッセージ送信ノード１０が信頼ノード２０とｐａｒｔｉａｌ ＱＫＤを行って生成された第１長の送信ノードビット列であり得、ここで、第１長の送信ノードビット列はｎ＊Ｌ長のビット列であり得る。

【0124】

また、第１信頼ノード署名は、信頼ノード２０がメッセージ送信ノード１０とｐａｒｔｉａｌ ＱＫＤを行って生成された第１長の信頼ノードビット列から抽出された第１－１長の信頼ノードビット列であり得、ここで、第１長の信頼ノードビット列はｎ＊Ｌ長のビット列であり得、第１－１長の信頼ノードビット列はＬ長のビット列であり得る。

【0125】

また、第１誤り率（Ｓａ）は信頼ノード２０とメッセージ送信ノード１０の間の第１量子チャネル４０の誤り率であり得る。

【0126】

第１メッセージ送信ノード署名と第１信頼ノード署名の間の不一致ビット数が第１誤り率（Ｓａ）以上であると判断された場合、Ｓ６３０段階で第１メッセージが信頼できないものと確認される。

【0127】

第１メッセージが信頼できないことは、第三者の盗聴およびハッキングなどによって第１メッセージが信頼できなくなったことを意味する。

【0128】

第１メッセージ送信ノード署名と第１信頼ノード署名の間の不一致ビット数が第１誤り率（Ｓａ）未満であると判断された場合、Ｓ６２０段階で第１メッセージが信頼できると判断することができる。ここで、第１メッセージが信頼できることは、第１メッセージが正当な送信者から送信されたものと確認されることを意味する。

【0129】

再び図９を参照すると、Ｓ７００段階で、受信された暗号化された第１メッセージが検証された場合、復号化された第１メッセージおよび第２長の信頼ノードビット列を共有された第２秘密鍵で２次暗号化し、２次暗号化された第１メッセージをメッセージ受信ノード３０に伝送する。

【0130】

ここで、復号化された第１メッセージはメッセージ送信ノード１０により暗号化された第１メッセージを生成するために用いられた第１メッセージと同じメッセージであり得る。

【0131】

また、第２長の信頼ノードビット列は信頼ノード２０がメッセージ受信ノード３０とｐａｒｔｉａｌ ＱＫＤを行って生成されたＬ長のビット列であり得る。

【0132】

また、共有された第２秘密鍵は信頼ノード２０とメッセージ受信ノード３０の間のＱＫＤ方法で共有された第４長のビット列から抽出されて生成されたものであり得、Ｌ長のビット列であり得る。

【0133】

Ｓ８００段階で、メッセージ受信ノード３０により受信された２次暗号化された第１メッセージが正当な送信者から送信されたものであるかを検証する。

【0134】

以下、図１１を参照して、２次暗号化された第１メッセージを検証する方法の一実施形態について説明する。

【0135】

Ｓ８１０段階で、メッセージ受信ノード３０は第１メッセージ受信ノード署名と第２信頼ノード署名の間の不一致ビット数が第２誤り率（Ｓｂ）値未満であるかを判定する。

【0136】

ここで、第１メッセージ受信ノード署名はメッセージ受信ノード３０が信頼ノード２０とｐａｒｔｉａｌ ＱＫＤを行って生成された第２長の受信ノードビット列であり得、ここで、第２長の受信ノードビット列はＬ長のビット列であり得る。

【0137】

また、第２信頼ノード署名は、信頼ノード２０がメッセージ受信ノード３０とｐａｒｔｉａｌ ＱＫＤを行って生成された第２長の信頼ノードビット列であり得、ここで、第２長の信頼ノードビット列はＬ長のビット列であり得る。

【0138】

また、第２誤り率（Ｓｂ）は信頼ノード２０とメッセージ受信ノード３０の間の第２量子チャネル５０の誤り率であり得る。

【0139】

第１メッセージ受信ノード署名と第２信頼ノード署名の間の不一致ビット数が第２誤り率（Ｓｂ）以上であると判断された場合、Ｓ８４０段階で第１メッセージが信頼できないものと確認される。

【0140】

第１メッセージが信頼できないことは、第三者の盗聴およびハッキングなどによって第１メッセージが信頼できなくなったことを意味する。

【0141】

第１メッセージ受信ノード署名と第２信頼ノード署名の間の不一致ビット数が第２誤り率（Ｓｂ）未満であると判断された場合、Ｓ８２０段階で第１メッセージが信頼できると判断することができる。ここで、第１メッセージが信頼できることは、第１メッセージが正当な送信者から送信されたものと確認されることを意味する。

【0142】

Ｓ８３０段階で、メッセージ受信ノード３０が第１メッセージ受信ノード署名を公開ボード（ｐｕｂｌｉｃ ｂｏａｒｄ）に公開する。

【0143】

ここで、公開ボード（ｐｕｂｌｉｃ ｂｏａｒｄ）には、各ノードが公開を所望する情報が誰でも見ることができるように公開され、公開された情報は変調できない情報であり得る。公開ボードの実現は、メッセージ認証コードとエンティティ認証方法などを用いる既に公知された多様な方法で実現することができる。

【0144】

例えば、本発明での第１メッセージが公開ボードに公開された場合、第１メッセージは秘密情報でない誰でも見ることができる情報となり、変調できない情報になる。すなわち、第１メッセージが労働契約書のような秘密保持を必要としない情報である場合、公開ボードに公開できる。

【0145】

再び図９を参照すると、Ｓ９００段階で、信頼ノード２０によって第１メッセージに対する最終検証が行われる。

【0146】

以下、図１２を参照して、第１メッセージに対する最終検証方法の一実施形態を説明する。

【0147】

図１２を参照すると、Ｓ９１０段階で、信頼ノード２０はメッセージ受信ノード３０から公開された第１メッセージ受信ノード署名と第１メッセージ送信ノード署名の間の不一致ビット数が第１誤り率（Ｓａ）値と第２誤り率（Ｓｂ）値を合計した値未満であるかをどうかを判定することができる。

【0148】

ここで、メッセージ受信ノード３０から公開された第１メッセージ受信ノード署名は第２長のメッセージ受信ノードビット列であり得、ここで、第２長のメッセージ受信ノードビット列はＬ長のビット列であり得る。

【0149】

Ｓ９３０段階で、メッセージ受信ノード３０から公開された第１メッセージ受信ノード署名と第１メッセージ送信ノード署名の間の不一致ビット数が第１誤り率（Ｓａ）と第２誤り率（Ｓｂ）を合計した値以上であると判定された場合、第１メッセージに対する署名が有効でないと宣言される。

【0150】

ここで、第１メッセージに対する署名が有効でないことが宣言されるのは、信頼ノード２０が第１メッセージに対する第１メッセージ送信ノード署名または第１メッセージ受信ノード署名が有効でないことを宣言することであり得る。

【0151】

Ｓ９２０段階で、メッセージ受信ノード３０から公開された第１メッセージ受信ノード署名と第１メッセージ送信ノード署名の間の不一致ビット数が第１誤り率（Ｓａ）と第２誤り率（Ｓｂ）を合計した値未満であると判定された場合、第１メッセージに対する署名が有効であると最終的に宣言される。

【0152】

ここで、第１メッセージに対する署名が有効であることが最終的に宣言されるのは、信頼ノード２０が第１メッセージに対する第１メッセージ送信ノード署名および第１メッセージ受信ノード署名が有効であることをメッセージ受信ノード３０に最終的に宣言することであり得る。

【0153】

上述した実施形態によれば、ｐａｒｔｉａｌ ＱＫＤ方法を用いて信頼ノードを介して３者間デジタル署名を生成することによって、量子もつれ概念を用いることなく暗号通信ネットワークがＦｕｌｌ－ｍｅｓｈ構造でない場合にも既存のＱＫＤシステムを活用してソフトウェアによって量子デジタル署名方法を実現することができる。

【0154】

一方、本発明の前記実施形態による信頼ノードを含むＱＫＤに基づく量子デジタル署名方法は、有線および無線インフラストラクチャ保護技術、認証接続技術、および量子暗号ネットワーク装備など量子暗号を用いる多様なセキュリティー通信分野に適用することができる。特に、信頼ノードを含むＱＫＤに基づく量子デジタル署名方法は、例えば電子メール、契約書、あるいは複雑な暗号化プロトコルにより送受信されるデータなどのような多様なの種類のメッセージに対する認証機能のために使用できる。また、出処が明確な認証された文書であるかをを確認するために用いることができ、署名者の身元を保障するために用いることができる。また、多様なプログラムでセキュリティーの水準が高い証明書を使用してデジタル署名を行うために用いることができる。

【0155】

図１３は本発明のいくつかの実施形態によるコンピューティングシステムのハードウェア構成図である。図１３に示すコンピューティングシステム１０００は、例えば図３を参照して説明した信頼ノード２０を含むコンピューティングシステムを指すものであり得、メッセージ送信ノード１０またはメッセージ受信ノード３０を含むコンピューティングシステムを指すものであり得る。コンピューティングシステム１０００は一つ以上のプロセッサ１１００、システムバス１６００、通信インターフェース１２００、プロセッサ１１００によって行われるコンピュータープログラム１５００をロード（ｌｏａｄ）するメモリ１４００と、コンピュータープログラム１５００を保存するストレージ１３００を含むことができる。

【0156】

プロセッサ１１００はコンピューティングシステム１０００の各構成の全般的な動作を制御する。プロセッサ１１００は本発明の多様な実施形態による方法／動作を実行するための少なくとも一つのアプリケーションまたはプログラムに対する演算を行う。メモリ１４００は各種データ、命令および／または情報を保存する。メモリ１４００は本発明の多様な実施形態による方法／動作を実行するためにストレージ１３００から一つ以上のコンピュータープログラム１５００をロード（ｌｏａｄ）する。バス１６００はコンピューティングシステム１０００の構成要素間の通信機能を提供する。通信インターフェース１２００はコンピューティングシステム１０００のインターネット通信を支援する。ストレージ１３００は一つ以上のコンピュータープログラム１５００を非一時的に保存する。コンピュータープログラム１５００は本発明の多様な実施形態による方法／動作が実装された一つ以上のインストラクション（ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓ）を含むことができる。コンピュータープログラム１５００がメモリ１４００にロードされれば、プロセッサ１１００は前記一つ以上のインストラクションを実行させることによって本発明の多様な実施形態による方法／動作を行い得る。

【0157】

いくつかの実施形態で、コンピュータープログラム１５００は、例えば信頼ノードによって行われる方法であって、メッセージ送信ノードと第１秘密鍵を共有する動作、メッセージ受信ノードと第２秘密鍵を共有する動作、前記メッセージ送信ノードとｐａｒｔｉａｌ ＱＫＤ（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｋｅｙ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）を行うことによって第１信頼ノード署名を生成する動作、前記メッセージ受信ノードとｐａｒｔｉａｌ ＱＫＤを行うことによって第２信頼ノード署名を生成する動作および前記共有された第１秘密鍵、前記共有された第２秘密鍵、前記第１信頼ノード署名および前記第２信頼ノード署名を用いて第１メッセージの検証を行う動作を行い得る。

【0158】

これまで図１ないし図１３を参照して本発明の多様な実施形態およびその実施形態による効果を言及した。本発明の技術的思想による効果は以上で言及した効果に制限されず、言及されていないまた他の効果は以下の記載から通常の技術者に明確に理解されるものである。

【0159】

これまで説明された本発明の技術的思想はコンピュータ読み取り可能な媒体上にコンピュータ読み取り可能なコードとして実現されることができる。前記コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録された前記コンピュータープログラムは、インターネットなどのネットワークを通じて他のコンピューティング装置に転送されて前記他のコンピューティング装置に実装することができ、これにより前記他のコンピューティング装置で使用できる。

【0160】

図面において動作は特定の順序で示されるが、これは、所望の結果を達成するために、そのような動作が示される特定の順序または連続した順序で実行されること、又は全ての示される動作が実行されることを必要とするものとして理解されるべきではない。特定の状況では、マルチタスクおよび並列処理が有利である場合もある。以上、添付する図面を参照して本発明の実施形態について説明したが、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者は、その技術的思想や必須の特徴を変更せず、本発明が他の具体的な形態でも実施できることを理解することができる。したがって、上記一実施形態はすべての面で例示的なものであり、限定的なものではないと理解しなければならない。本発明の保護範囲は以下の特許請求の範囲によって解析されるべきであり、それと同等の範囲内にあるすべての技術思想は、本発明によって定義される技術的思想の権利範囲に含まれると解釈されるべきである。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】