金鳳 通訊員 張前 王靈鈺
量子數字簽名是量子密碼的一種，由于量子不可拷貝的特性，使得應用該簽名技術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獲悉，在2019年“挑戰杯”全國大學生課外學術科技作品競賽中，該校的參賽作品“高性能量子數字簽名系統”項目獲得特等獎，該項目基于量子數字簽名技術，研發了高性能量子數字簽名平臺，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。
南京郵電大學研發的“高性能量子數字簽名系統”?受訪者供圖
在比賽現場，南郵參賽團隊展示了由物理層、密鑰層、應用層三個功能部分組成量子數字簽名平臺。
團隊隊長、電子與通信工程專業研究生張昊解釋，密鑰就如同“一把鑰匙開一把鎖”。“首先，收發雙方通過量子的方法各自獲得一把 ‘鑰匙’，這稱之為 ‘量子密鑰’；緊接著，我們使用一臺筆記本電腦發送一封使用量子密鑰簽名的郵件，郵件內容為 ‘同意支付一百萬美元’這一句話。隨后，旁邊的另一臺筆記本電腦接收到了這封郵件，接收方通過唯一的 ‘量子密鑰’開鎖，可以確保該郵件內容未被篡改。如果一旦中間有人篡改，會導致系統的誤碼率上升，立刻會被發現，密鑰就會作廢。清除威脅后，雙方重新換新的密鑰。”
張昊介紹，實現量子數字簽名首先需要分發量子密鑰，而密鑰的載體是光子，隨著距離的增加，單個光子丟失的概率逐漸增大，因而傳輸距離總會有一個極限。對此，團隊通過設計了一種新型協議，有效地提高參數估計的準確性，從而使得量子數字簽名的安全傳輸距離拓展到200公里。此前國際報道中，英國瓦特大學的量子數字簽名實現了最遠134公里，而南郵團隊提升了接近50%。
南京郵電大學量子光學和量子密碼課題組?受訪者供圖
“即使安全傳輸距離能夠滿足要求，但是如果密鑰傳輸速率較慢，會導致量子數字簽名系統無法滿足實時性場景的需求。”團隊成員劉靖陽舉了個例子，當我們在手機銀行上操作“轉賬1000元”時，需要經過密碼輸入、轉賬確認、服務器接收等一系列的過程。如果系統密鑰實時生成速率達不到“一次一密”的需求，就需要重復使用密鑰。
在這種情況下，攻擊者就有可能將轉賬信息篡改為“轉賬10元”，最終接收方接收到的信息就變成了錯誤信息。
劉靖陽等人通過研究新型量子隨機數發生器，同時結合全局優化算法，將系統的簽名速率大幅提升。“這好比開源，在單位時間里產生更多的密鑰，滿足實時簽名的需求。”他介紹，通過使用新型發生器加上新算法，在125公里的測試距離下，簽名速率與國際同期研究成果相比提升了2倍多，成為目前國際上量子數字簽名速率最快的系統之一。
除了開源，團隊還想辦法節流。密鑰的利用效率也是決定系統能否實現實時簽名長消息的關鍵之處。團隊研發的一套高效的變長編、解碼方案，相比以往的定長度編、解碼方案，有效地降低了編碼冗余度，使得簽名效率從原來的50%提升到80%以上。
張昊舉例說，通常情況下，人們需要使用1000個字節長度的密鑰來簽名一段消息，而現在通過使用他們的方案，只需要使用600個字節長度，從而使等待密鑰分發的時間大幅減少。
據悉，該郵件簽名系統先后在國內兩家企業進行穩定性測試、性能指標檢測，一致獲得“性能穩定、使用可靠”的評價。在一年半的時間內，項目團隊成員以第一作者身份共發表SCI論文8篇，另外有三項已受理的發明專利。
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