光子盒研究院出品
2022年12月，成都學院化學大學、固體微結構化學國家重點實驗室、人工微結構科學與技術協同創新中心陳出兵-尹華磊課題組首次基于非對稱量子密碼，在超過100公里距離下成功實現不可證實地傳輸兆比特圖象。課題組結合秘密共享的秘鑰非對稱特點和“一次一密”的原理構造了可商用化的量子數字簽名框架：該實用化合同只需消耗數百比特的非對稱量子秘鑰，可實現對幾乎任意長的文件進行信息論安全的數字簽名，進而確保文件傳輸的真實性、完整性和不可證實性，為數字經濟、數字貨幣等提供了技術完備的量子安全托架。
量子數字簽名流程圖
尹華磊副院長常年旨在于量子通訊技術的應用落地，同高科技企業合作進行量子隨機數、量子秘鑰分發等商用系統的產品研發工作。作為理論和技術帶頭人，率領量子、硬件、固件、光學、光電、軟件、嵌軟、結構、網絡、通信等相關人員成功研發了時間-相位編碼引誘態量子秘鑰分發等系列商用產品。
過去六年，尹華磊副院長曾承當國家自然科學基金面上項目和青年項目各一項、多項省局級項目的課題，承當項目（含課題）經費總計超過1000萬。
尹華磊，北京學院化學大學、固體微結構化學國家重點實驗室副院長、博士生導師，北京學院量子人工智能（AIQ）特聘副院長。
日前，光子盒對那位量子通訊與安全領域的科研工作者進行了采訪。
采訪全文如下：
光子盒
請簡介您的求學、工作經歷？
尹華磊
我專科保送步入中國科學技術學院理大學（當時還包含物理系）數學學大類專業，大二末選擇光信息科學與技術專業暨步入新組建的光學與光學工程系，大四初，我保送到南京微尺度物質科學國家研究中心，并在這兒完成了碩博連讀的學習。以后，我步入廣東學院兼任講師；三年后，我進入上海學院、被評為副院長、博士生導師并從事了四年相關研究：主要涉及量子通訊、量子安全、人工智能等領域。
科研期間，您的細分研究方向有轉變嗎？
我的研究方向沒有轉變，仍然順著光量子信息一脈相承、逐步深入。以后，我也會延承自己在光量子通訊領域的研究：包括量子秘鑰分發、量子數字簽名、量子區塊鏈與隱私保護、量子人工智能等領域；據悉，我也配合陳出兵老師對量子化學的基本問題、量子引力等領域有所涉獵。
化學大學潘建偉教授任職于近代化學系，同時也在微尺度物質科學國家研究中心；杜江峰教授也同時在近代化學系和微尺度物質科學國家研究中心；郭光燦教授在光學與光學工程系與中國科大學量子信息重點實驗室，她們也都屬于中國農大化學大學。三位教授研究組的多位老師為我們開辦了好多量子科學與技術相關的基礎課與專業課。辛運地是，我在大專期間就在三位教授的研究組里有過學習經歷，研究生期間則仍然在潘建偉教授研究組從事科學研究。
上海學院為您的研究提供了什么支持？
陳出兵院士是我的博士生導師，他在2018年末兼任至北京學院、我和他差不多同時期入職南大。
上海學院的固體微結構化學國家重點實驗室主要包含人工微結構化學與帶隙材料、關聯電子體系、受限量子體系、軟物質的微結構與功能、基于微結構的高新技術與應用等5個研究方向，以前是國家量子調控研究的基地之一，由于量子通訊不僅僅須要量子技術、信息科技，也和縱向的材料設計等領域相輔相成。
不僅平臺支撐量子通訊技術真偽，實驗室不同方向、技術背景的團隊合作和交流也對我的研究有好多幫助。諸如，祝世寧教授團隊也涉及無人機、量子網路等量子技術；黃河學者于揚院長是國際上最早舉辦超導量子比特實驗研究的成員之一。
您在量子區塊鏈領域，有什么方向性的布局和研究？
區塊鏈技術在美國主要應用于加密貨幣，國外嚴禁“挖礦”、代幣，主要用于對公服務。2020年開始，科技部的國家重點研制計劃也新增了區塊鏈方向，所以，這一技術一定會持續發展；其實目前有好多相關企業出現問題、科技成果還未落地，然而區塊鏈技術將會是前沿方向、改變社會生活。
我想借助量子化學的基本原理，來解決區塊鏈技術中的共識、隱私保護等問題。我們提出的實用化量子數字簽名即可廣泛的用于區塊鏈的隱私保護。
“
據悉，我目前有一個涉及迦太基共識算法的工作：我們運用量子技術將聯盟鏈的容錯率從1/3提高至1/2，相關工作已公布在預印本arXiv:2206.09159。
”
如何看待區塊鏈技術的商業化？
雖然有好多技術試點，不過大部份都是政府在支持開發。
其實，區塊鏈也存在自己技術的局限性。任正非曾表示，在量子計算機面前，區塊鏈一文不值。現有區塊鏈技術的隱私保護算法、安全算法都還沒有運用量子技術，還未能抵擋未來量子算力、先進算力的功擊，所以這一技術的安全性也有待考評。
介紹一下您的量子保密通訊研究和后續優化方向？
我個人主要借助量子秘鑰分發結合“一次一密”，實現量子保密通訊的無條件安全。香農早已證明，只要能實現“一次一密”的加密，信息就不可能泄漏、能實現無條件安全。如今，理論存在的漏洞或多或少早已得到了學者們的補充。一個主要的問題關于光源端的編解碼：現今大部份論文都假定了編解碼的完美程度；不過，工程應用中也可以從光源端主動解決那些問題。
量子秘鑰分發主要的問題是怎樣高效、遠距離、低成本地實現信息傳輸。以后的研究會分辨相關安全的層級，比如，假如須要全部解決光源、探測器的問題，會涉及什么合同；倘若僅解決偵測器問題、工程上保護光源端，須要涉及其他合同等等。
增加工程化成本，涉及什么科研方向？
這伴隨著光通訊的發展。光纖光學等通過模塊、器件組裝，假如結合光量子芯片、電芯片制成大型化、收發一體的量子秘鑰分發系統，成本自然會增加。這也是光量子芯片發展的必然趨勢。
量子秘鑰分發，非常是雙場量子秘鑰分發近些年來發展很快，但進一步取得較大發展的潛力有限。下一步的發展方向是量子網路，這就須要量子中繼器：它的成熟程度較低，存在許多優化空間。
量子通訊中，檢測設備無關的量子秘鑰分發和設備無關的量子秘鑰分發有哪些區別？
它們在遵照的合同上有區別，設備/元件無關的QKD運用貝爾不方程，同時消除“源”和“探測”的影響，并且對具體的偵測行為存在假定：偵測信息沒有泄漏；檢測設備無關的QKD借助糾纏交換清除“測量設備”的主動干擾，此時，精典功擊未能模擬量子效應，所以偵測的信息可以公開。前者包括雙光子干涉的（異步）檢測設備無關和單光子干涉的雙場合同：早已實現了高分辨率、遠距離，未來也會廣泛推出相關商業化系統、部署于國家干線。諸如，揚州-北京可能會建設檢測設備無關的量子保密通訊干線系統。
元件無關QKD在2022年首次實現了原理演示，不過分辨率較低；這也受限于現有量子中繼器、光量子儲存技術。假如光量子儲存技術得到進步，長距離元件無關QKD也有望實現。
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總結來說，未來六年國外外會廣泛應用檢測設備無關的QKD技術，六年后有望發展設備無關QKD技術，由于前者原則上安全程度更高。
”
檢測設備無關的量子秘鑰分發是我從博士就開始關注的話題，它可以解決所有的偵測漏洞，同時實現新型網路布署、適合應用于已有的網路系統。
信息安全的五個基本要素包括絕密性、真實性、完整性和不可翻供性。已有的QKD實現了什么步驟？
私鑰密碼的發展主要為了解決秘鑰分發，我們仍然采用量子技術實現秘鑰分發。香農覺得，只要實現“一次一密”，才能實現無條件的保密通訊安全。不過，信息安全不止須要保密：不僅加密系統還有數字簽名、認證等量子通訊技術真偽，這就須要彰顯真實性、完整性、不可翻供性。
1979年曾提出無條件安全的認證：量子秘鑰分發的通訊雙方互相信任，這是QKD的前提；同時，量子秘鑰分發的安全也須要認證的安全，兩者相輔相成。并且，怎么解決通訊雙方不信任的情況呢？這就涉及到信息安全的不可翻供性。
私鑰秘鑰系統可以解決這一問題，只是容易遭到量子估算的功擊。
12月27日，您的團隊演示了全球首個全功能量子安全網路，實現了信息安全的全要素。能詳盡介紹一下嗎？
曾經的技術可以解決絕密性，真實性、完整性采用了無條件安全的認證：類比一下，A任務安全、但B和C任務并不安全；我們這次實現了ABC所有任務的安全。
惟一剩下的是不可翻供性，這涉及數字簽名。私鑰加密和數字簽名是現代密碼學的兩大支柱。其中加密保證了消息傳輸的絕密性；數字簽名確保了消息傳輸的真實性、完整性和不可翻供性。
這次，我們采用量子數字簽名、運用全域哈希函數：每一次簽名都隨機實現一個新的哈希函數，而且，幾乎可以對任意長的文件都實現加密、簽名。這就涉及“一次一密”思想：假如每次使用的哈希函數都隨機形成、每次也都不一樣；此時，安全和隨機性就密切相關、所有精典算法都無法對其進行功擊。因而，我們實現了信息理論中無條件的安全。
同時，這一套系統這一技術的實用性挺好，對產業的貢獻相比較大：量子數字簽名可以實現整個信息安全的保護。只須要在現有硬件、軟件進行一定升級改建，就可以賦能應用。假如竭力建設量子網路干線，這一技術將很有效地應用于各類隱私保護。
這一網路可以實現的安全傳輸距離多長？
假如使用雙場量子秘鑰形成或異步檢測設備無關量子秘鑰形成，我們可以實現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。由于QKD合同發展地最早、最成熟，我們的量子通訊、量子數字簽名和QKD的底層技術一樣：對量子態進行形成、調控和偵測，所以這一技術基于QKD的運行距離。
假如想實現長距離、超遠距離肯定須要量子中繼；近來我們的雙場量子秘鑰分發、異步檢測設備無關合同可以確保300-400公里間的高效組網。