前沿进展｜首次实现全安全要素的量子网络
“前沿进展”栏目，旨在介绍科研人员在光学领域发表的具有重要学术、应用价值的论文，促进研究成果的传播。部分论文将推荐参与“中国光学十大进展”评选。
01 导读
近期，南京大学物理学院陈增兵、尹华磊课题组联合矩阵时光数字科技有限公司在量子安全技术方面取得重要突破，首次基于非对称量子密码在超过100 km距离下成功实现不可否认地传输兆比特图像。
该团队创造性地提出“一次一哈希”，结合秘密共享的密钥非对称特性和“一次一密”的加密原理构造了可商用化的量子数字签名框架。以签名一份兆比特的文件为例，该框架将签名速率提升数亿倍。
相关研究成果以“Experimental quantum secure network with digital signatures and encryption”为题发表在National Science Review（NSR）上。
2023 | 前沿进展02 研究背景
以电子商务为例，只有保证每一笔交易中的订单信息、支付记录的真实性、完整性和不可抵赖性，用户和商家才能放心进行电子商务活动。如何确保源源不断产生的订单的安全性呢？支付宝的支付流程采用了基于公钥加密体系的数字签名算法来保证安全，如图1所示。随着量子计算时代的来临，以公钥密码为基础的数字签名在量子计算攻击下存在着巨大的安全隐患。
当前的量子保密通信使用对称加密，只能满足机密性需求，无法满足不可抵赖性所需要的非对称加密需求。为此，发展基于量子力学原理的量子数字签名是必然的选择。早在2001年，美国加州大学伯克利分校的D. Gottesman和美国麻省理工学院的I. L. Chuang第一次探讨了量子数字签名的可能性，简称GC01签名协议。他们从L. B. Lamport（图灵奖获得者）的一次性经典数字签名方案的框架出发，通过构造量子单向函数来完成数字签名，为之后的量子数字签名协议提供了研究范式。
随后，多国学者在量子数字签名理论和实验方面进行了大量的研究。特别是，2016年，中国的尹华磊等人和英国的R. Amiri等人分别独立地提出了信息理论安全的量子数字签名。然而，所有的量子数字签名都遵守GC01的研究范式，即通过量子单向函数产生签名，每次只能对单比特消息签名。对于长消息情况，则需要在消息中插入特定的序列之后，逐个比特进行签名。因此，在实际场景中目前的量子数字签名方案的效率极低，远远无法满足实用化需求。
03 研究创新点
04 总结与展望
论文链接：
https://doi.org/10.1093/nsr/nwac228
前沿进展 | 碳纳米管等离子体的飞秒激光驱动高亮度硬X射线脉冲
前沿进展 | 新纪录！实现光子辅助400 m高速太赫兹无线通信
前沿进展 | 首次实现光的量子拓扑态操控
前沿进展 | 驭电磁以裁光谱，窥微纳而见艺术
前沿进展 | 新型、高效的多扭曲光束方法，产生可自由调控的手性光场
本文由课题组供稿
END
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