尹华磊

现在，电子商务已成为我们日常生活中不可或缺的一部分。通过电子商务，我们可以选品、比价、支付，轻松便捷地进行各种购物和交易活动。

可是，你真的可以放心地进行网络购物吗？

先进算力带来的安全问题

目前的网络支付，有“现代密码学”的保护，是安全的。在现代信息技术所衍生的各种活动中，大量的信息数据被采集、加工、传输和存储，与此同时也面临着被窃听、篡改、伪装和否认的安全威胁。现代密码学发展了完备的体系来保障信息安全的四个基本要素：机密性、完整性、真实性和不可抵赖性，分别对应以上四种攻击。

然而，目前广泛应用的密码学技术的安全性，大多基于计算复杂度的假设，未来可能会受到如量子计算机等先进算力的严重威胁。比如，著名的RSA公钥算法在传统计算机上需要上万年才能破解，但攻击者如果拥有量子计算机，利用Shor算法可以在1秒内快速完成破解，简直是“秒杀”。

什么是RSA算法？

RSA算法是1978年由Ron Rivest、Adi Shamir和Leonard Adleman一起提出的，RSA由他们三人姓氏开头字母组成。RSA算法的安全性基于一个数学假设：给出两个大素数，很容易将它们相乘；如果只给出它们的乘积，想得到这两个素数非常困难。

什么是Shor算法？

美国计算机科学家Peter Shor于1994年提出的一种量子算法，需要在量子计算机上实现。Shor算法解决的问题是，相较经典算法，任意合数的质因数分解做到了指数级别的加速。

“解药”：量子信息科学

基于量子力学基本原理的量子信息科学，被认为是解决这一问题的理想途径。

量子原理决定了“没有任何方法可以复制一个未知量子态”，即产生它的完美副本，这个结果被称为“不可克隆定理”，是量子信息相对于经典信息的基本优势之一。该定理与密码学密切相关，因为传统密码学的暴力攻击往往假设了截获、复制和重发，而复制这一关键步骤不能应用于携带未知信息的量子信道。

量子数字签名是基于量子力学基本原理，为信息处理提供数据的完整性、真实性和不可抵赖性的无条件安全保护技术。

量子数字签名的概念早在2001年被美国麻省理工学院和加州大学伯克利分校研究人员提出，奠定了后续量子数字签名研究的理论基础。此后，欧美国家众多研究单位都在相关领域进行了深入研究，去除了很多至今仍然无法实现的实验技术要求，例如去除了长时间保存一个高维量子态的需求，因为目前人们还不能长时间保存一个量子态。特别是2016年，我和团队以及英国的Amir等人首次给出了无条件安全的量子数字签名协议，允许传输量子态的信道即使被攻击仍能确保安全性。

然而，以上量子数字签名的工作都延续了2001年提出的框架，即通过构造“量子单向函数”对单比特的文件进行签名，我们称其为单比特方案。单比特方案需要消耗大量的量子密钥比特（一般为几千或几万）对一个比特的文件进行签名，效率极低，远远无法满足实用需求。

知识链接

Q：什么是“比特”？

A：“比特”是计算机科学和信息技术领域的术语，是信息的最小单位。在二进制系统中，“0”或“1”分别代表一个比特的信息量。

Q：怎么理解量子密钥？

A：通过某些量子技术，能让参与方手中的量子密钥是一模一样的，量子态分发过程保证了密钥的安全性。

最新突破：量子电子商务方案

怎样才能让量子数字签名得到广泛应用呢？

为了解决这个问题，我们提出了一种新的量子数字签名框架——一次性全域哈希量子数字签名。

這个框架跳出了单比特方案的范式，通过巧妙地构造签名发送方、接收方和验证方之间的非对称量子密钥关系和信息交换顺序，将哈希的单向特性、秘密共享的非对称特性和一次一密的隐私特性有机地结合起来，从而同时提供了“对称性”和“非对称性”。

也就是说，用这一方案，只需要数百个量子密钥比特就可以一次性对整个文件进行签名，极大地提升了签名效率。相比于单比特方案，如果假设签名的文件大小为兆比特量级，此方案在签名效率上会有8至9个数量级的提升。

以一次性全域哈希量子数字签名为底层技术，我们的团队于2024年1月首次提出了量子电子商务方案，并在一个5用户的网络上实现了实验演示。我们演示了网上购物的场景，涉及商家、客户和第三方平台。

量子电子商务方案有哪些优势呢？

优势1：可以防止商家对合同的反悔否认。

优势2：可以防止客户对合同的伪造或篡改。

优势3：可以防止第三方对交易金额的篡改等攻击。

这一量子电子商务方案可以容忍量子密钥的部分隐私泄露，因此在后处理阶段不需要进行复杂的隐私提纯操作，在大规模网络和大数据传输的情景下可以节省可观的计算资源、网络带宽和数据处理时间。

未来研发方向：更实用

和现实中的应用场景相比，我们本次演示的网络在用户数量、传输距离和功能多样性方面仍然有一定差距。为了进一步推动该技术的实用化，后续还需要在如下方面发力：

多并发用户

在实际应用中，有成千上万的用户在网络同时进行电子商务活动，用户的增加会带来对量子密钥需求的增加。

更远距离

目前，国内外已经部署了大规模的量子保密通信骨干网络，其中以北京到上海的“京沪量子保密通信干线”为代表。借助这些已经部署的网络可以实现更远距离的量子电子商务。

更高速率

在本次演示中，交易速率已经接近实用要求。未来，通过利用当前先进的量子密钥分发所使用的量子通信技术，可以进一步提升量子电子商务方案中量子态调制速率、制备精度和传输稳定度，使其在城域范围内保障的交易文件处理速率得到多个数量级的提升。

更多功能

除了电子商务，现代互联网还有很多其他应用，未来的量子网络也应该是一个集成多功能的交互系统。构造和发展解决不同问题的量子通信技术也是未来极具潜力的一个研究方向。相信未来会有更多的技术实现“无条件安全”。

不得不说，实用化的量子电子商务仍然受制于量子密码分发技术的发展。因此，我们一方面要继续发展量子密码技术，另一方面也可以考虑在实际应用层面放弃量子密钥的理论安全性，只追求抗量子算力攻击下的安全性，这样有可能实现量子电子商务的快速、大规模应用。