近日，我校量子信息与量子通信团队在芯片嵌入的高效率量子数字签名网络研究方面取得新进展，研究成果以“Chip-integrated quantum signature network over 200 km”为题发表在国际光学期刊Light: Science & Applications。论文的第一作者为我校物理科学与工程技术学院2022级博士研究生杜永强，南京大学物理学院博士研究生李炳宏、曹啸宇，国家信息光电子创新中心博士华昕，通讯作者为我校物理科学与工程技术学院教授韦克金、中国人民大学副教授尹华磊、国家信息光电子创新中心总经理肖希。我校为论文的第一单位及通讯单位。
在传统加密技术面临量子计算威胁的背景下，量子通信因其在信息安全性上的独特优势而备受关注。其中，量子数字签名（QDS）作为一种重要的密码学工具，因其能够保障信息传输的完整性、真实性和不可抵赖性，在电子商务、数字货币以及区块链等领域具有重要的应用价值。目前，QDS已经从概念验证迅速发展到成熟的系统演示，有望成为下一个商用量子密码技术。然而，此前所有的QDS系统均依赖昂贵、复杂的光纤光学设备，使其在大规模部署以及与现有通信基础设施无缝集成方面存在挑战。因此，发展低成本、高效率和易扩展的芯片化QDS网络具有重要的研究价值和广泛的应用前景。
针对这一目标，我校量子信息与量子通信团队和国家信息光电子创新中心肖希团队基于前期发展的具有偏振追踪能力的偏振编码量子密钥分发解码器芯片、资源节约型的芯片化量子密钥分发系统以及芯片集成的源无关量子随机数发生器等领域的技术积累，联合中国人民大学副教授尹华磊团队，提出了一种创新的星型拓扑QDS网络架构（图1所示），并发展了单诱骗态一次全域哈希QDS协议（图2所示），在提高系统性能的同时极大降低了系统硬件和数据后处理的复杂度，并基于硅基编码器和解码器芯片完成三节点量子数字签名网络示范。
图1.星型拓扑结构的芯片QDS网络示意图
图2. 高效QDS协议运行示意图
图3.实验设置。(a) 基于芯片的三节点量子网络。(b) 硅基编码器芯片的显微图。 (c) 硅基解码器芯片的显微图。
图4.不同传输距离下的签名率
研究团队基于所提网络配置，采用发展的新型QDS协议开展实验，汇总了不同距离下开展QDS实验获得的结果，展示了该研究带来的突破。所提的芯片化QDS方案在200 km的光纤距离下，签名1Mbit文件实现了0.04次每秒的签名速率。这一研究不仅推动了QDS技术的实用化进程，还在量子电子商务、量子区块链等其他量子通信领域具有广泛的应用价值。
据悉，Light: Science & Applications创刊于2012年，专注于报道光子学、光电子学及与材料科学、生命科学、量子技术等领域的交叉创新，致力于发表具有重大理论突破或颠覆性应用潜力的原创研究、综述及前瞻性评论。
