金凤 通讯员 张前 王灵钰

　　量子数字签名是量子密码的一种，由于量子不可拷贝的特性，使得应用该签名技术的电子文档等具有不可篡改性，保密性极高。12月2日，记者从南京邮电大学获悉，在2019年“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛中，该校的参赛作品“高性能量子数字签名系统”项目获得特等奖，该项目基于量子数字签名技术，研发了高性能量子数字签名平台，其量子密码传输距离提升近一半，签名效率从50%提升到80%以上。

南京邮电大学研发的“高性能量子数字签名系统” 受访者供图

　　在比赛现场，南邮参赛团队展示了由物理层、密钥层、应用层三个功能部分组成量子数字签名平台。

　　团队队长、电子与通信工程专业研究生张昊解释，密钥就如同“一把钥匙开一把锁”。“首先，收发双方通过量子的方法各自获得一把 ‘钥匙’，这称之为 ‘量子密钥’；紧接着，我们使用一台笔记本电脑发送一封使用量子密钥签名的邮件，邮件内容为 ‘同意支付一百万美元’这一句话。随后，旁边的另一台笔记本电脑接收到了这封邮件，接收方通过唯一的 ‘量子密钥’开锁，可以确保该邮件内容未被篡改。如果一旦中间有人篡改，会导致系统的误码率上升，立刻会被发现，密钥就会作废。清除威胁后，双方重新换新的密钥。”

　　张昊介绍，实现量子数字签名首先需要分发量子密钥，而密钥的载体是光子，随着距离的增加，单个光子丢失的概率逐渐增大，因而传输距离总会有一个极限。对此，团队通过设计了一种新型协议，有效地提高参数估计的准确性，从而使得量子数字签名的安全传输距离拓展到200公里。此前国际报道中，英国瓦特大学的量子数字签名实现了最远134公里，而南邮团队提升了接近50%。

南京邮电大学量子光学和量子密码课题组 受访者供图

　　“即使安全传输距离能够满足要求，但是如果密钥传输速率较慢，会导致量子数字签名系统无法满足实时性场景的需求。”团队成员刘靖阳举了个例子，当我们在手机银行上操作“转账1000元”时，需要经过密码输入、转账确认、服务器接收等一系列的过程。如果系统密钥实时生成速率达不到“一次一密”的需求，就需要重复使用密钥。

　　在这种情况下，攻击者就有可能将转账信息篡改为“转账10元”，最终接收方接收到的信息就变成了错误信息。

　　刘靖阳等人通过研究新型量子随机数发生器，同时结合全局优化算法，将系统的签名速率大幅提升。“这好比开源，在单位时间里产生更多的密钥，满足实时签名的需求。”他介绍，通过使用新型发生器加上新算法，在125公里的测试距离下，签名速率与国际同期研究成果相比提升了2倍多，成为目前国际上量子数字签名速率最快的系统之一。

　　除了开源，团队还想办法节流。密钥的利用效率也是决定系统能否实现实时签名长消息的关键之处。团队研发的一套高效的变长编、解码方案，相比以往的定长度编、解码方案，有效地降低了编码冗余度，使得签名效率从原来的50%提升到80%以上。

　　张昊举例说，通常情况下，人们需要使用1000个字节长度的密钥来签名一段消息，而现在通过使用他们的方案，只需要使用600个字节长度，从而使等待密钥分发的时间大幅减少。

　　据悉，该邮件签名系统先后在国内两家企业进行稳定性测试、性能指标检测，一致获得“性能稳定、使用可靠”的评价。在一年半的时间内，项目团队成员以第一作者身份共发表SCI论文8篇，另外有三项已受理的发明专利。

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