金鳳通信員張前王靈鈺
量子數(shù)字簽名是量子密碼的一種，因為量子不可拷貝的特點，致使應(yīng)用該簽名技術(shù)的電子文檔等具有不可篡改性量子傳輸速率，保密性極高。12月2日，記者從北京郵電學(xué)院據(jù)悉，在2019年“挑戰(zhàn)杯”全國學(xué)院生課外學(xué)術(shù)科技作品大賽中，該校的參賽作品“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(shù)，研制了高性能量子數(shù)字簽名平臺，其量子密碼傳輸距離提高近一半，簽名效率從50%提高到80%以上。
長春郵電學(xué)院研制的“高性能量子數(shù)字簽名系統(tǒng)”?受訪者供圖
在大賽現(xiàn)場，南郵參賽團(tuán)隊展示了由化學(xué)層、密鑰層、應(yīng)用層三個功能部份組成量子數(shù)字簽名平臺。
團(tuán)隊隊長、電子與通訊工程專業(yè)研究生張昊解釋量子傳輸速率，秘鑰就仿佛“一把鎖匙開一把鎖”。“首先，收發(fā)雙方通過量子的方式各自獲得一把‘鑰匙’，這稱之為‘量子秘鑰’；緊接著，我們使用一臺電腦筆記本發(fā)送一封使用量子秘鑰簽名的短信，短信內(nèi)容為‘同意支付一百萬美金’這一句話。此后，對面的另一臺電腦筆記本接收到了這封短信，接收方通過惟一的‘量子秘鑰’開鎖，可以確保該短信內(nèi)容未被篡改。假如一旦中間有人篡改，會造成系統(tǒng)的誤分辨率上升，立即會被發(fā)覺，秘鑰都會作廢。消除恐嚇后，雙方重新?lián)Q新的秘鑰。”
張昊介紹，實現(xiàn)量子數(shù)字簽名首先須要分發(fā)量子秘鑰，而秘鑰的載體是光子，隨著距離的降低，單個光子遺失的機(jī)率漸漸減小，因此傳輸距離總會有一個極限。對此，團(tuán)隊通過設(shè)計了一種新型合同，有效地提升參數(shù)恐怕的確切性，進(jìn)而促使量子數(shù)字簽名的安全傳輸距離拓展到200公里。此前國際報導(dǎo)中，美國瓦特學(xué)院的量子數(shù)字簽名實現(xiàn)了最遠(yuǎn)134公里，而南郵團(tuán)隊提高了接近50%。
上海郵電學(xué)院量子光學(xué)和量子密碼課題組?受訪者供圖
“即使安全傳輸距離才能滿足要求，而且假如秘鑰傳輸速度較慢，會造成量子數(shù)字簽名系統(tǒng)未能滿足實時性場景的需求。”團(tuán)隊成員劉靖陽舉了個反例，當(dāng)我們在手機(jī)建行上操作“轉(zhuǎn)賬1000元”時，須要經(jīng)過密碼輸入、轉(zhuǎn)賬確認(rèn)、服務(wù)器接收等一系列的過程。若果系統(tǒng)秘鑰實時生成速度達(dá)不到“一次一密”的需求，就須要重復(fù)使用秘鑰。
在這些情況下，功擊者就有可能將匯款信息篡改為“轉(zhuǎn)賬10元”，最終接收方接收到的信息就弄成了錯誤信息。
劉靖陽等人通過研究新型量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，同時結(jié)合全局優(yōu)化算法，將系統(tǒng)的簽名速度急劇提高。“這好比開源，在單位時間里形成更多的秘鑰，滿足實時簽名的需求。”他介紹，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，簽名速度與國際同期研究成果相比提高了2倍多，成為目前國際上量子數(shù)字簽名速度最快的系統(tǒng)之一。
不僅開源，團(tuán)隊還想辦法節(jié)流。秘鑰的借助效率也是決定系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)實時簽名長消息的關(guān)鍵之處。團(tuán)隊研制的一套高效的變長編、解碼方案，相比往年的定寬度編、解碼方案，有效地減少了編碼冗余度，致使簽名效率從原先的50%提高到80%以上。
張昊舉例說，一般情況下，人們須要使用1000個字節(jié)寬度的秘鑰來簽名一段消息，而現(xiàn)今通過使用她們的方案，只須要使用600個字節(jié)寬度，進(jìn)而使等待秘鑰分發(fā)的時間急劇減小。
此外，該短信簽名系統(tǒng)先后在國外兩家企業(yè)進(jìn)行穩(wěn)定性測試、性能指標(biāo)檢查，一致獲得“性能穩(wěn)定、使用可靠”的評價。在一年半的時間內(nèi)，項目團(tuán)隊成員以第一作者身分共發(fā)表SCI論文8篇，另外有三項已受理的發(fā)明專利。