“量子密码”让电子支付更安全

今年11月，在2019年“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛中，南京邮电大学8名研究生学生团队的参赛作品“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，并且以邮件收发系统作为其中一个应用场景，进行了现场演示。

“数字签名”技术是人们广泛使用的保密方法之一，这主要是依赖计算复杂程度，而量子计算机的出现，使得保密过程的安全性遭受了严峻的挑战。今年10月，谷歌公司的量子计算机登上了《自然》杂志150周年封面，据称它仅用200秒就完成了目前世界最强大的超级计算机1万年的计算量。

量子数字签名技术基于物理学基本原理，由于量子不可复制的特性，使得应用“量子签名”技术的电子文档等具有不可篡改、不可抵赖性，保密性极高。

在比赛现场，该参赛团队展示了量子数字签名平台。团队队长、电子与通信工程专业研究生张昊介绍：“该密码本上的密码永远只能使用一次，在该平台上，我们开发了国际首台基于量子数字签名的邮件收发系统。”

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，我们称之为‘量子密钥’；紧接着，我们使用一台笔记本电脑发送了一封使用量子密钥签名的邮件，邮件内容为‘同意支付100万美元’，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。”

2018年年初，张昊在网上注意到一篇关于量子数字签名的论文，其中提到了一种实现量子数字签名的可行性方法。

“近几年，量子数字签名是业内一个新的研究热点，国内外专家都在寻找简单易行的实现方法。”这篇论文中提出的一种新方法激发了张昊的研究兴趣，于是，他与几位志同道合的同学，一起把国内外的相关文献翻了个遍。

通过调研，他们发现这一方向研究的实际应用案例很少。主要由于现有方法中存在许多不足之处，阻碍了量子数字签名走向实用化。于是，张昊、刘靖阳等人决定从改进这些不足之处开始，让“量子数字签名技术”实景化，展示前沿科技为生活服务的魅力。

“此前国际报道中，最远134公里的量子数字签名是由英国瓦特大学实现的”，张昊介绍，“团队通过设计一种新型协议，使得量子数字签名的安全传输距离拓展到200公里，比英国瓦特大学提升了接近50%。”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两倍多，成为目前国际上量子数字签名速率最快的系统之一。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。

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。中国科学技术大学郭光灿院士认为该作品“展示了量子信息技术与网络技术的融合，扩宽了人们对传统电子邮箱安全等级的认知，具有较高的创新性。”南京大学祝世宁院士评价该作品“设计了国际首台基于量子数字签名协议的电子邮件收发系统，具有较高的创新性”。

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3项已受理的发明专利。

团队的指导老师王琴教授认为，量子数字签名拥有巨大的应用前景，在金融服务、电子商务等领域大有可为。目前，该技术中的传输距离、签名速度、签名效率等关键点，国内外的专家学者仍在不断探索。