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　　金鳳 通訊員 張前 王靈鈺

　　量子數(shù)字簽名是量子密碼的一種，由于量子不可拷貝的特性，使得應(yīng)用該簽名技術(shù)的電子文檔等具有不可篡改性，保密性極高。12月2日，記者從南京郵電大學(xué)獲悉，在2019年“挑戰(zhàn)杯”全國(guó)大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽中，該校的參賽作品“高性能量子數(shù)字簽名系統(tǒng)”項(xiàng)目獲得特等獎(jiǎng)，該項(xiàng)目基于量子數(shù)字簽名技術(shù)，研發(fā)了高性能量子數(shù)字簽名平臺(tái)，其量子密碼傳輸距離提升近一半，簽名效率從50%提升到80%以上。

南京郵電大學(xué)研發(fā)的“高性能量子數(shù)字簽名系統(tǒng)”?受訪(fǎng)者供圖

　　在比賽現(xiàn)場(chǎng)，南郵參賽團(tuán)隊(duì)展示了由物理層、密鑰層、應(yīng)用層三個(gè)功能部分組成量子數(shù)字簽名平臺(tái)。

　　團(tuán)隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)、電子與通信工程專(zhuān)業(yè)研究生張昊解釋?zhuān)荑€就如同“一把鑰匙開(kāi)一把鎖”?！笆紫?，收發(fā)雙方通過(guò)量子的方法各自獲得一把 ‘鑰匙’，這稱(chēng)之為 ‘量子密鑰’；緊接著，我們使用一臺(tái)筆記本電腦發(fā)送一封使用量子密鑰簽名的郵件，郵件內(nèi)容為 ‘同意支付一百萬(wàn)美元’這一句話(huà)。隨后，旁邊的另一臺(tái)筆記本電腦接收到了這封郵件，接收方通過(guò)唯一的 ‘量子密鑰’開(kāi)鎖，可以確保該郵件內(nèi)容未被篡改。如果一旦中間有人篡改，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的誤碼率上升，立刻會(huì)被發(fā)現(xiàn)，密鑰就會(huì)作廢。清除威脅后，雙方重新?lián)Q新的密鑰。”

　　張昊介紹，實(shí)現(xiàn)量子數(shù)字簽名首先需要分發(fā)量子密鑰，而密鑰的載體是光子，隨著距離的增加，單個(gè)光子丟失的概率逐漸增大，因而傳輸距離總會(huì)有一個(gè)極限。對(duì)此，團(tuán)隊(duì)通過(guò)設(shè)計(jì)了一種新型協(xié)議，有效地提高參數(shù)估計(jì)的準(zhǔn)確性，從而使得量子數(shù)字簽名的安全傳輸距離拓展到200公里。此前國(guó)際報(bào)道中，英國(guó)瓦特大學(xué)的量子數(shù)字簽名實(shí)現(xiàn)了最遠(yuǎn)134公里，而南郵團(tuán)隊(duì)提升了接近50%。

南京郵電大學(xué)量子光學(xué)和量子密碼課題組?受訪(fǎng)者供圖

　　“即使安全傳輸距離能夠滿(mǎn)足要求，但是如果密鑰傳輸速率較慢，會(huì)導(dǎo)致量子數(shù)字簽名系統(tǒng)無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性場(chǎng)景的需求?！眻F(tuán)隊(duì)成員劉靖陽(yáng)舉了個(gè)例子，當(dāng)我們?cè)谑謾C(jī)銀行上操作“轉(zhuǎn)賬1000元”時(shí)，需要經(jīng)過(guò)密碼輸入、轉(zhuǎn)賬確認(rèn)、服務(wù)器接收等一系列的過(guò)程。如果系統(tǒng)密鑰實(shí)時(shí)生成速率達(dá)不到“一次一密”的需求，就需要重復(fù)使用密鑰。

　　在這種情況下，攻擊者就有可能將轉(zhuǎn)賬信息篡改為“轉(zhuǎn)賬10元”，最終接收方接收到的信息就變成了錯(cuò)誤信息。

　　劉靖陽(yáng)等人通過(guò)研究新型量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，同時(shí)結(jié)合全局優(yōu)化算法，將系統(tǒng)的簽名速率大幅提升?！斑@好比開(kāi)源，在單位時(shí)間里產(chǎn)生更多的密鑰，滿(mǎn)足實(shí)時(shí)簽名的需求?！彼榻B，通過(guò)使用新型發(fā)生器加上新算法，在125公里的測(cè)試距離下，簽名速率與國(guó)際同期研究成果相比提升了2倍多，成為目前國(guó)際上量子數(shù)字簽名速率最快的系統(tǒng)之一。

　　除了開(kāi)源，團(tuán)隊(duì)還想辦法節(jié)流。密鑰的利用效率也是決定系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)簽名長(zhǎng)消息的關(guān)鍵之處。團(tuán)隊(duì)研發(fā)的一套高效的變長(zhǎng)編、解碼方案，相比以往的定長(zhǎng)度編、解碼方案，有效地降低了編碼冗余度，使得簽名效率從原來(lái)的50%提升到80%以上。

　　張昊舉例說(shuō)，通常情況下，人們需要使用1000個(gè)字節(jié)長(zhǎng)度的密鑰來(lái)簽名一段消息，而現(xiàn)在通過(guò)使用他們的方案，只需要使用600個(gè)字節(jié)長(zhǎng)度，從而使等待密鑰分發(fā)的時(shí)間大幅減少。

　　據(jù)悉，該郵件簽名系統(tǒng)先后在國(guó)內(nèi)兩家企業(yè)進(jìn)行穩(wěn)定性測(cè)試、性能指標(biāo)檢測(cè)，一致獲得“性能穩(wěn)定、使用可靠”的評(píng)價(jià)。在一年半的時(shí)間內(nèi)，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)成員以第一作者身份共發(fā)表SCI論文8篇，另外有三項(xiàng)已受理的發(fā)明專(zhuān)利。

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