量子信息技术带来全新的数字签名方案 —— 问天量子研发团队实现世界最高重复频率之一的量子数字签名系统

《Optics Letters》截图
近日，安徽问天量子科技股份有限公司研发团队联合中国科学技术大学和南京邮电大学团队，基于量子密钥分配系统（QKD）成功实现了无需安全量子信道的实用化量子数字签名协议，可容忍实际光纤环境中产生的误码等不完美因素，该成果发表于美国光学学会主办的国际知名期刊《Optics Letters》上。

图 1：量子数字签名实验系统，
其中FSMI为Faraday–Sagnac–Michelson 干涉仪简写
文章所基于的量子密钥分配系统是问天量子自主研发的第四代相位编码量子密钥分配产品，其采用独创的Faraday–Sagnac–Michelson 干涉仪结构设计（如图1），对光纤中的偏振扰动具有天然的鲁棒性，适用于如电网光纤等高振动复杂通信信道中。系统不仅能保持长时间低误码率稳定运行，还克服了高重复频率下的光脉冲编码难题，整个系统重复频率达到1.0 GHz，提升了密钥生成速率。基于上述高稳定性、高重复频率的量子密钥分配协议，系统最终实现了最远125km距离等效衰减下的量子数字签名，签名单比特明文的所需时长为22.7秒。文章将本系统与国际上最前沿的量子数字签名系统进行了直接对比，系统在安全性、重复频率和稳定性三个关键性能上取得了较好的平衡，综合性能表现优异。整个文章面向实际应用，展示了量子数字签名的商业化前景，将量子数字签名的实用化向前推进了一大步。

图2：“RSA”数字签名协议示意图
数字签名技术广泛应用于现代远程通信，例如电子商务、电子邮件以及网页加密中，是保障互联网信息安全的重要基础密码技术之一。数字签名是用密码算法生成一组数字，代替传统的签字或印章，从而保障信息的不可复制、不可伪造以及可远程转移交换。经典密码中的数字签名的安全性依赖于计算复杂度（例如图2所示的RSA协议），即假设窃听者拥有有限的计算能力。在第二次量子革命的时代背景下，随着量子信息技术的发展，量子计算机可令人们的计算能力随其比特数呈指数式增长。现行的数字签名算法可被量子计算机破解，不再安全。量子信息技术在破解经典数字签名的同时也给我们带来了全新的数字签名方案——量子数字签名。量子数字签名基于量子力学基本原理，即量子不可分割、不可克隆以及测量塌缩原理，保证数字签名过程的无条件安全性，可对抗量子计算攻击。量子数字签名系统的实现对于丰富量子密钥分配应用场景，为将来的广域量子保密互联网提供基础应用技术支撑具有重要意义。

安徽问天量子科技股份有限公司为文章的作者单位之一。
文章的作者有问天量子合肥研发中心的安雪碧、郝鹏磊、刘树峰。问天量子董事长韩正甫教授为文章通讯作者。中科院量子信息重点实验室主任郭光灿院士为文章的作者之一。