2019“挑戰杯”特等獎授予它:量子數字簽名傳輸距離提升近一半

2019-12-02 16:45:19 來源: 科技日報 作者: 金鳳

金鳳 通訊員 張前 王靈鈺

量子數字簽名是量子密碼的一種,由于量子不可拷貝的特性,使得應用該簽名技術的電子文檔等具有不可篡改性,保密性極高。12月2日,記者從南京郵電大學獲悉,在2019年“挑戰杯”全國大學生課外學術科技作品競賽中,該校的參賽作品“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,其量子數字簽名傳輸距離提升近一半,簽名效率從50%提升到80%以上。

南京郵電大學研發的“高性能量子數字簽名系統”受訪者供圖

在比賽現場,南郵參賽團隊展示了由物理層、密鑰層、應用層三個功能部分組成量子數字簽名平臺。

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’,這稱之為 ‘量子密鑰’;緊接著,我們使用一臺筆記本電腦發送一封使用量子密鑰簽名的郵件,郵件內容為 ‘同意支付一百萬美元’這一句話。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。”

張昊介紹,實現量子數字簽名首先需要分發量子密鑰,而密鑰的載體是光子,隨著距離的增加,單個光子丟失的概率逐漸增大,因而傳輸距離總會有一個極限。對此,團隊通過設計了一種新型協議,有效地提高參數估計的準確性,從而使得量子數字簽名的安全傳輸距離拓展到200公里。此前國際報道中,英國瓦特大學的量子數字簽名實現了最遠134公里,而南郵團隊提升了接近50%。

南京郵電大學量子光學和量子密碼課題組 受訪者供圖

“即使安全傳輸距離能夠滿足要求,但是如果密鑰傳輸速率較慢,會導致量子數字簽名系統無法滿足實時性場景的需求。”團隊成員劉靖陽舉了個例子,當我們在手機銀行上操作“轉賬1000元”時,需要經過密碼輸入、轉賬確認、服務器接收等一系列的過程。如果系統密鑰實時生成速率達不到“一次一密”的需求,就需要重復使用密鑰。

在這種情況下,攻擊者就有可能將轉賬信息篡改為“轉賬10元”,最終接收方接收到的信息就變成了錯誤信息。

劉靖陽等人通過研究新型量子隨機數發生器,同時結合全局優化算法,將系統的簽名速率大幅提升。“這好比開源,在單位時間里產生更多的密鑰,滿足實時簽名的需求。”他介紹,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2倍多,成為目前國際上量子數字簽名速率最快的系統之一。

除了開源,團隊還想辦法節流。密鑰的利用效率也是決定系統能否實現實時簽名長消息的關鍵之處。團隊研發的一套高效的變長編、解碼方案,相比以往的定長度編、解碼方案,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。

張昊舉例說,通常情況下,人們需要使用1000個字節長度的密鑰來簽名一段消息,而現在通過使用他們的方案,只需要使用600個字節長度,從而使等待密鑰分發的時間大幅減少。

據悉,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。在一年半的時間內,項目團隊成員以第一作者身份共發表SCI論文8篇,另外有三項已受理的發明專利。

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責任編輯:劉義陽
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