今年11月，在2019年“挑戰杯”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“高性能量子數字簽名系統”項目獲得特等獎。該項目基于量子數字簽名技術，研發了高性能量子數字簽名平臺，并且以郵件收發系統作為其中一個應用場景，進行了現場演示。

“數字簽名”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，使得保密過程的安全性遭受了嚴峻的挑戰。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。

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

張昊解釋：“密鑰就如同‘一把鑰匙開一把鎖’。首先，收發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送了一封使用量子密鑰簽名的郵件，郵件內容為‘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，可以確保該郵件內容未被篡改。如果一旦中間有人篡改，會導致系統的誤碼率上升，立刻會被發現，密鑰就會作廢。清除威脅后，雙方重新換新的密鑰。”

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

“近幾年，量子數字簽名是業內一個新的研究熱點，國內外專家都在尋找簡單易行的實現方法。”這篇論文中提出的一種新方法激發了張昊的研究興趣，于是，他與幾位志同道合的同學，一起把國內外的相關文獻翻了個遍。

通過調研，他們發現這一方向研究的實際應用案例很少。主要由于現有方法中存在許多不足之處，阻礙了量子數字簽名走向實用化。于是，張昊、劉靖陽等人決定從改進這些不足之處開始，讓“量子數字簽名技術”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公里的量子數字簽名是由英國瓦特大學實現的”，張昊介紹，“團隊通過設計一種新型協議，使得量子數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字簽名速率最快的系統之一。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。

該郵件簽名系統先后在國內兩家企業進行穩定性測試、性能指標檢測，一致獲得“性能穩定、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絡技術的融合，擴寬了人們對傳統電子郵箱安全等級的認知，具有較高的創新性。”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字簽名協議的電子郵件收發系統，具有較高的創新性”。

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

團隊的指導老師王琴教授認為，量子數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·中國青年網記者 李潤文