光子盒研究院出品
2022年12月，南京大學(xué)物理學(xué)院、固體微結(jié)構(gòu)物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心陳增兵-尹華磊課題組首次基于非對稱量子密碼，在超過100公里距離下成功實(shí)現(xiàn)不可否認(rèn)地傳輸兆比特圖像。課題組結(jié)合秘密共享的密鑰非對稱特性和“一次一密”的原理構(gòu)造了可商用化的量子數(shù)字簽名框架：該實(shí)用化協(xié)議只需消耗數(shù)百比特的非對稱量子密鑰，可實(shí)現(xiàn)對幾乎任意長的文件進(jìn)行信息論安全的數(shù)字簽名，從而確保文件傳輸?shù)恼鎸?shí)性、完整性和不可否認(rèn)性，為數(shù)字經(jīng)濟(jì)、數(shù)字貨幣等提供了技術(shù)完備的量子安全底座。
量子數(shù)字簽名流程圖
尹華磊副教授長期致力于量子通信技術(shù)的應(yīng)用落地，同高科技企業(yè)合作進(jìn)行量子隨機(jī)數(shù)、量子密鑰分發(fā)等商用系統(tǒng)的產(chǎn)品研制工作。作為理論和技術(shù)帶頭人，帶領(lǐng)量子、硬件、固件、光學(xué)、光電、軟件、嵌軟、結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)、通信等相關(guān)人員成功研制了時間-相位編碼誘騙態(tài)量子密鑰分發(fā)等系列商用產(chǎn)品。
過去十年，尹華磊副教授曾承擔(dān)國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目和青年項(xiàng)目各一項(xiàng)、多項(xiàng)省部級項(xiàng)目的課題，承擔(dān)項(xiàng)目（含課題）經(jīng)費(fèi)總計超過1000萬。
尹華磊，南京大學(xué)物理學(xué)院、固體微結(jié)構(gòu)物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副教授、博士生導(dǎo)師，南京大學(xué)量子人工智能（AIQ）特聘副教授。
近日，光子盒對這位量子通信與安全領(lǐng)域的科研工作者進(jìn)行了專訪。
訪談全文如下：
光子盒
請簡介您的求學(xué)、工作經(jīng)歷？
尹華磊
我本科保送進(jìn)入中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)理學(xué)院（當(dāng)時還包含數(shù)學(xué)系）物理學(xué)大類專業(yè)，大二末選擇光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)暨進(jìn)入新成立的光學(xué)與光學(xué)工程系，大四初，我保送到合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心，并在這里完成了碩博連讀的學(xué)習(xí)。之后，我進(jìn)入浙江大學(xué)擔(dān)任講師；兩年后，我進(jìn)入南京大學(xué)、被評為副教授、博士生導(dǎo)師并從事了四年相關(guān)研究：主要涉及量子通信、量子安全、人工智能等領(lǐng)域。
科研期間，您的細(xì)分研究方向有轉(zhuǎn)變嗎？
我的研究方向沒有轉(zhuǎn)變，一直沿著光量子信息一脈相承、逐步深入。之后，我也會延承自己在光量子通信領(lǐng)域的研究：包括量子密鑰分發(fā)、量子數(shù)字簽名、量子區(qū)塊鏈與隱私保護(hù)、量子人工智能等領(lǐng)域；此外，我也配合陳增兵老師對量子物理的基本問題、量子引力等領(lǐng)域有所涉獵。
物理學(xué)院潘建偉院士任職于近代物理系，同時也在微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心；杜江峰院士也同時在近代物理系和微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心；郭光燦院士在光學(xué)與光學(xué)工程系與中國科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，他們也都屬于中國科大物理學(xué)院。三位院士研究組的多位老師為我們開設(shè)了很多量子科學(xué)與技術(shù)相關(guān)的基礎(chǔ)課與專業(yè)課。幸運(yùn)地是，我在本科期間就在三位院士的研究組里有過學(xué)習(xí)經(jīng)歷，研究生期間則一直在潘建偉院士研究組從事科學(xué)研究。
南京大學(xué)為您的研究提供了哪些支持？
陳增兵教授是我的博士生導(dǎo)師，他在2018年底調(diào)任至南京大學(xué)、我和他差不多同時期入職南大。
南京大學(xué)的固體微結(jié)構(gòu)物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主要包含人工微結(jié)構(gòu)物理與帶隙材料、關(guān)聯(lián)電子體系、受限量子體系、軟物質(zhì)的微結(jié)構(gòu)與功能、基于微結(jié)構(gòu)的高新技術(shù)與應(yīng)用等5個研究方向，曾經(jīng)是國家量子調(diào)控研究的基地之一，因?yàn)榱孔油ㄐ挪粌H僅需要量子技術(shù)、信息科技，也和橫向的材料設(shè)計等領(lǐng)域相輔相成。
除了平臺支撐，實(shí)驗(yàn)室不同方向、技術(shù)背景的團(tuán)隊合作和交流也對我的研究有很多幫助。例如，祝世寧院士團(tuán)隊也涉及無人機(jī)、量子網(wǎng)絡(luò)等量子技術(shù)；長江學(xué)者于揚(yáng)教授是國際上最早開展超導(dǎo)量子比特實(shí)驗(yàn)研究的成員之一。
您在量子區(qū)塊鏈領(lǐng)域，有哪些方向性的布局和研究？
區(qū)塊鏈技術(shù)在國外主要應(yīng)用于加密貨幣，國內(nèi)禁止“挖礦”、代幣，主要用于對公服務(wù)。2020年開始，科技部的國家重點(diǎn)研發(fā)計劃也新增了區(qū)塊鏈方向，所以，這一技術(shù)一定會持續(xù)發(fā)展；雖然目前有很多相關(guān)企業(yè)出現(xiàn)問題、科技成果還未落地，但是區(qū)塊鏈技術(shù)將會是前沿方向、改變社會生活。
我想利用量子物理的基本原理，來解決區(qū)塊鏈技術(shù)中的共識、隱私保護(hù)等問題。我們提出的實(shí)用化量子數(shù)字簽名即可廣泛的用于區(qū)塊鏈的隱私保護(hù)。
“
此外，我目前有一個涉及拜占庭共識算法的工作：我們運(yùn)用量子技術(shù)將聯(lián)盟鏈的容錯率從1/3提升至1/2，相關(guān)工作已公布在預(yù)印本arXiv:2206.09159。
”
怎么看待區(qū)塊鏈技術(shù)的商業(yè)化？
其實(shí)有很多技術(shù)試點(diǎn)，不過大部分都是政府在支持開發(fā)。
當(dāng)然，區(qū)塊鏈也存在自己技術(shù)的局限性。任正非曾表示，在量子計算機(jī)面前，區(qū)塊鏈一文不值�，F(xiàn)有區(qū)塊鏈技術(shù)的隱私保護(hù)算法、安全算法都還沒有運(yùn)用量子技術(shù)，還無法抵御未來量子算力、先進(jìn)算力的攻擊，所以這一技術(shù)的安全性也有待考核。
介紹一下您的量子保密通信研究和后續(xù)優(yōu)化方向？
我個人主要利用量子密鑰分發(fā)結(jié)合“一次一密”，實(shí)現(xiàn)量子保密通信的無條件安全。香農(nóng)已經(jīng)證明，只要能實(shí)現(xiàn)“一次一密”的加密，信息就不可能泄露、能實(shí)現(xiàn)無條件安全�，F(xiàn)在，理論存在的漏洞或多或少已經(jīng)得到了學(xué)者們的補(bǔ)充。一個主要的問題關(guān)于光源端的編解碼：現(xiàn)在大部分論文都假設(shè)了編解碼的完美程度；不過，工程應(yīng)用中也可以從光源端主動解決這些問題。
量子密鑰分發(fā)主要的問題是如何高效、遠(yuǎn)距離、低成本地實(shí)現(xiàn)信息傳輸。之后的研究會區(qū)分相關(guān)安全的層級，例如，如果需要全部解決光源、探測器的問題，會涉及哪些協(xié)議；如果僅解決探測器問題、工程上保護(hù)光源端，需要涉及其他協(xié)議等等。
降低工程化成本，涉及哪些科研方向？
這伴隨著光通信的發(fā)展。光纖光學(xué)等通過模塊、器件組裝，如果結(jié)合光量子芯片、電芯片制成小型化、收發(fā)一體的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)，成本自然會降低。這也是光量子芯片發(fā)展的必然趨勢。
量子密鑰分發(fā)，特別是雙場量子密鑰分發(fā)近年來發(fā)展很快，但進(jìn)一步取得較大發(fā)展的潛力有限。下一步的發(fā)展方向是量子網(wǎng)絡(luò)，這就需要量子中繼器：它的成熟程度較低，存在許多優(yōu)化空間。
量子通信中，測量設(shè)備無關(guān)的量子密鑰分發(fā)和設(shè)備無關(guān)的量子密鑰分發(fā)有什么區(qū)別？
它們在遵從的協(xié)議上有區(qū)別，設(shè)備/器件無關(guān)的QKD運(yùn)用貝爾不等式，同時去除“源”和“探測”的影響，但是對具體的探測行為存在假設(shè)：探測信息沒有泄露；測量設(shè)備無關(guān)的QKD利用糾纏交換去除“測量設(shè)備”的主動干擾，此時，經(jīng)典攻擊無法模擬量子效應(yīng)，所以探測的信息可以公開。后者包括雙光子干涉的（異步）測量設(shè)備無關(guān)和單光子干涉的雙場協(xié)議：已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了高碼率、遠(yuǎn)距離，未來也會廣泛推出相關(guān)商業(yè)化系統(tǒng)、部署于國家干線。例如，合肥-武漢可能會建設(shè)測量設(shè)備無關(guān)的量子保密通信干線系統(tǒng)。
器件無關(guān)QKD在2022年首次實(shí)現(xiàn)了原理演示，不過碼率較低；這也受限于現(xiàn)有量子中繼器、光量子存儲技術(shù)。如果光量子存儲技術(shù)得到進(jìn)步，長距離器件無關(guān)QKD也有望實(shí)現(xiàn)。
“
總結(jié)來說，未來十年國內(nèi)外會廣泛應(yīng)用測量設(shè)備無關(guān)的QKD技術(shù)，十年后有望發(fā)展設(shè)備無關(guān)QKD技術(shù)，因?yàn)楹笳咴瓌t上安全程度更高。
”
測量設(shè)備無關(guān)的量子密鑰分發(fā)是我從博士就開始關(guān)注的話題，它可以解決所有的探測漏洞，同時實(shí)現(xiàn)新型網(wǎng)絡(luò)部署、適合應(yīng)用于已有的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
信息安全的五個基本要素包括機(jī)密性、真實(shí)性、完整性和不可抵賴性。已有的QKD實(shí)現(xiàn)了哪些步驟？
公鑰密碼的發(fā)展主要為了解決密鑰分發(fā)，我們一直采用量子技術(shù)實(shí)現(xiàn)密鑰分發(fā)。香農(nóng)認(rèn)為，只要實(shí)現(xiàn)“一次一密”，就能實(shí)現(xiàn)無條件的保密通信安全。不過，信息安全不止需要保密：除了加密系統(tǒng)還有數(shù)字簽名、認(rèn)證等，這就需要體現(xiàn)真實(shí)性、完整性、不可抵賴性。
1979年曾提出無條件安全的認(rèn)證：量子密鑰分發(fā)的通信雙方相互信任，這是QKD的前提；同時，量子密鑰分發(fā)的安全也需要認(rèn)證的安全，二者相輔相成。但是，如何解決通信雙方不信任的情況呢？這就涉及到信息安全的不可抵賴性。
公鑰密鑰系統(tǒng)可以解決這一問題，只是容易受到量子計算的攻擊。
12月27日，您的團(tuán)隊演示了全球首個全功能量子安全網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了信息安全的全要素。能詳細(xì)介紹一下嗎？
以前的技術(shù)可以解決機(jī)密性，真實(shí)性、完整性采用了無條件安全的認(rèn)證：類比一下，A任務(wù)安全、但B和C任務(wù)并不安全；我們此次實(shí)現(xiàn)了ABC所有任務(wù)的安全。
唯一剩下的是不可抵賴性，這涉及數(shù)字簽名。公鑰加密和數(shù)字簽名是現(xiàn)代密碼學(xué)的兩大支柱。其中加密保證了消息傳輸?shù)臋C(jī)密性；數(shù)字簽名確保了消息傳輸?shù)恼鎸?shí)性、完整性和不可抵賴性。
此次，我們采用量子數(shù)字簽名、運(yùn)用全域哈希函數(shù)：每一次簽名都隨機(jī)實(shí)現(xiàn)一個新的哈希函數(shù)，并且，幾乎可以對任意長的文件都實(shí)現(xiàn)加密、簽名。這就涉及“一次一密”思想：如果每次使用的哈希函數(shù)都隨機(jī)產(chǎn)生、每次也都不一樣；此時，安全和隨機(jī)性就密切相關(guān)、所有經(jīng)典算法都難以對其進(jìn)行攻擊。因此，我們實(shí)現(xiàn)了信息理論中無條件的安全。
同時，這一套系統(tǒng)這一技術(shù)的實(shí)用性很好，對產(chǎn)業(yè)的貢獻(xiàn)相比較大：量子數(shù)字簽名可以實(shí)現(xiàn)整個信息安全的保護(hù)。只需要在現(xiàn)有硬件、軟件進(jìn)行一定升級改造，就可以賦能應(yīng)用。如果全力建設(shè)量子網(wǎng)絡(luò)干線，這一技術(shù)將很有效地應(yīng)用于各種隱私保護(hù)。
這一網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)的安全傳輸距離多長？
如果使用雙場量子密鑰產(chǎn)生或異步測量設(shè)備無關(guān)量子密鑰產(chǎn)生，我們可以實(shí)現(xiàn)500公里以上的無條件安全。具體距離和QKD成碼距離密切相關(guān)。因?yàn)镼KD協(xié)議發(fā)展地最早、最成熟，我們的量子通信、量子數(shù)字簽名和QKD的底層技術(shù)一樣：對量子態(tài)進(jìn)行產(chǎn)生、調(diào)控和探測，所以這一技術(shù)基于QKD的運(yùn)行距離。
如果想實(shí)現(xiàn)長距離、超遠(yuǎn)距離肯定需要量子中繼；最近我們的雙場量子密鑰分發(fā)、異步測量設(shè)備無關(guān)協(xié)議可以確保300-400公里間的高效組網(wǎng)。
