今年11月，在2019年“挑戰(zhàn)杯”全國大學生課外學術科技作品競賽中，南京郵電大學8名研究生學生團隊的參賽作品“高性能量子數(shù)字簽名系統(tǒng)”項目獲得特等獎。該項目基于量子數(shù)字簽名技術，研發(fā)了高性能量子數(shù)字簽名平臺，并且以郵件收發(fā)系統(tǒng)作為其中一個應用場景，進行了現(xiàn)場演示。

“數(shù)字簽名”技術是人們廣泛使用的保密方法之一，這主要是依賴計算復雜程度，而量子計算機的出現(xiàn)，使得保密過程的安全性遭受了嚴峻的挑戰(zhàn)。今年10月，谷歌公司的量子計算機登上了《自然》雜志150周年封面，據(jù)稱它僅用200秒就完成了目前世界最強大的超級計算機1萬年的計算量。

量子數(shù)字簽名技術基于物理學基本原理，由于量子不可復制的特性，使得應用“量子簽名”技術的電子文檔等具有不可篡改、不可抵賴性，保密性極高。

在比賽現(xiàn)場，該參賽團隊展示了量子數(shù)字簽名平臺。團隊隊長、電子與通信工程專業(yè)研究生張昊介紹：“該密碼本上的密碼永遠只能使用一次，在該平臺上，我們開發(fā)了國際首臺基于量子數(shù)字簽名的郵件收發(fā)系統(tǒng)。”

張昊解釋：“密鑰就如同‘一把鑰匙開一把鎖’。首先，收發(fā)雙方通過量子的方法各自獲得一把鑰匙，我們稱之為‘量子密鑰’；緊接著，我們使用一臺筆記本電腦發(fā)送了一封使用量子密鑰簽名的郵件，郵件內(nèi)容為‘同意支付100萬美元’，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(nèi)容未被篡改。如果一旦中間有人篡改，會導致系統(tǒng)的誤碼率上升，立刻會被發(fā)現(xiàn)，密鑰就會作廢。清除威脅后，雙方重新?lián)Q新的密鑰。”

2018年年初，張昊在網(wǎng)上注意到一篇關于量子數(shù)字簽名的論文，其中提到了一種實現(xiàn)量子數(shù)字簽名的可行性方法。

“近幾年，量子數(shù)字簽名是業(yè)內(nèi)一個新的研究熱點，國內(nèi)外專家都在尋找簡單易行的實現(xiàn)方法。”這篇論文中提出的一種新方法激發(fā)了張昊的研究興趣，于是，他與幾位志同道合的同學，一起把國內(nèi)外的相關文獻翻了個遍。

通過調(diào)研，他們發(fā)現(xiàn)這一方向研究的實際應用案例很少。主要由于現(xiàn)有方法中存在許多不足之處，阻礙了量子數(shù)字簽名走向?qū)嵱没Ｓ谑牵瑥堦弧⒕戈柕热藳Q定從改進這些不足之處開始，讓“量子數(shù)字簽名技術”實景化，展示前沿科技為生活服務的魅力。

“此前國際報道中，最遠134公里的量子數(shù)字簽名是由英國瓦特大學實現(xiàn)的”，張昊介紹，“團隊通過設計一種新型協(xié)議，使得量子數(shù)字簽名的安全傳輸距離拓展到200公里，比英國瓦特大學提升了接近50%。”通過使用新型發(fā)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兩倍多，成為目前國際上量子數(shù)字簽名速率最快的系統(tǒng)之一。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。

該郵件簽名系統(tǒng)先后在國內(nèi)兩家企業(yè)進行穩(wěn)定性測試、性能指標檢測，一致獲得“性能穩(wěn)定、使用可靠”的評價。中國科學技術大學郭光燦院士認為該作品“展示了量子信息技術與網(wǎng)絡技術的融合，擴寬了人們對傳統(tǒng)電子郵箱安全等級的認知，具有較高的創(chuàng)新性。”南京大學祝世寧院士評價該作品“設計了國際首臺基于量子數(shù)字簽名協(xié)議的電子郵件收發(fā)系統(tǒng)，具有較高的創(chuàng)新性”。

一年半的時間內(nèi)，項目團隊成員以第一作者身份共發(fā)表SCI論文8篇，另外有3項已受理的發(fā)明專利。

團隊的指導老師王琴教授認為，量子數(shù)字簽名擁有巨大的應用前景，在金融服務、電子商務等領域大有可為。目前，該技術中的傳輸距離、簽名速度、簽名效率等關鍵點，國內(nèi)外的專家學者仍在不斷探索。

通訊員 張前 王靈鈺 中國青年報·中國青年網(wǎng)記者 李潤文