今年11月，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，南京郵電大學(xué)8名研究生學(xué)生團(tuán)隊(duì)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)，并且以郵件收發(fā)系統(tǒng)作為其中一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)演示。

“數(shù)字簽名”技術(shù)是人們廣泛使用的保密方法之一，這主要是依賴計(jì)算復(fù)雜程度，而量子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，使得保密過(guò)程的安全性遭受了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。今年10月，谷歌公司的量子計(jì)算機(jī)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(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)1萬(wàn)年的計(jì)算量。

量子數(shù)字簽名技術(shù)基于物理學(xué)基本原理，由于量子不可復(fù)制的特性，使得應(yīng)用“量子簽名”技術(shù)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(chǎng)，該參賽團(tuán)隊(duì)展示了量子數(shù)字簽名平臺(tái)。團(tuán)隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)、電子與通信工程專業(yè)研究生張昊介紹：“該密碼本上的密碼永遠(yuǎn)只能使用一次，在該平臺(tái)上，我們開(kāi)發(fā)了國(guó)際首臺(tái)基于量子數(shù)字簽名的郵件收發(fā)系統(tǒng)?！?/p>

張昊解釋：“密鑰就如同‘一把鑰匙開(kāi)一把鎖’。首先，收發(fā)雙方通過(guò)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(tái)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(wàn)美元’，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?！?/p>

2018年年初，張昊在網(wǎng)上注意到一篇關(guān)于量子數(shù)字簽名的論文，其中提到了一種實(shí)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(gè)新的研究熱點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外專家都在尋找簡(jiǎn)單易行的實(shí)現(xiàn)方法?！边@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(xué)，一起把國(guó)內(nèi)外的相關(guān)文獻(xiàn)翻了個(gè)遍。

通過(guò)調(diào)研，他們發(fā)現(xiàn)這一方向研究的實(shí)際應(yīng)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?。于是，張昊、劉靖?yáng)等人決定從改進(jìn)這些不足之處開(kāi)始，讓“量子數(shù)字簽名技術(shù)”實(shí)景化，展示前沿科技為生活服務(wù)的魅力。

“此前國(guó)際報(bào)道中，最遠(yuǎn)134公里的量子數(shù)字簽名是由英國(guó)瓦特大學(xué)實(shí)現(xiàn)的”，張昊介紹，“團(tuán)隊(duì)通過(guò)設(shè)計(jì)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(guó)瓦特大學(xué)提升了接近50%?！蓖ㄟ^(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兩倍多，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。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。

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)。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士認(rèn)為該作品“展示了量子信息技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的融合，擴(kuò)寬了人們對(duì)傳統(tǒng)電子郵箱安全等級(jí)的認(rèn)知，具有較高的創(chuàng)新性。”南京大學(xué)祝世寧院士評(píng)價(jià)該作品“設(shè)計(jì)了國(guó)際首臺(tái)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(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3項(xiàng)已受理的發(fā)明專利。

團(tuán)隊(duì)的指導(dǎo)老師王琴教授認(rèn)為，量子數(shù)字簽名擁有巨大的應(yīng)用前景，在金融服務(wù)、電子商務(wù)等領(lǐng)域大有可為。目前，該技術(shù)中的傳輸距離、簽名速度、簽名效率等關(guān)鍵點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外的專家學(xué)者仍在不斷探索。

通訊員 張前 王靈鈺 中國(guó)青年報(bào)·中國(guó)青年網(wǎng)記者 李潤(rùn)文