物理学院陈增兵、尹华磊团队演示首个“量子电子商务”

近期，南京大学物理学院、固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心的陈增兵教授和尹华磊副教授（现属于中国人民大学物理学系、量子态构筑与测控教育部重点实验室）团队基于一次性全域哈希量子数字签名理论提出了首个量子电子商务方案，在国际上首次实现了五用户的量子电子商务应用场景演示，为完整的电子商务交易流程提供了无条件的安全性保证。

电子商务包括在线支付、在线银行、电子票务、在线拍卖等各种通过互联网进行的商务活动，如图1所示。电子商务的发展使得商业活动更加便捷高效，使消费者可以通过互联网方便地购买各种商品和服务，同时也为企业提供了开拓市场，降本增益的机会。当前全国电子商务年交易额超四十万亿元，已经成为拉动经济增长，提升经济活力的关键因素。现有电子商务方案均采用公钥加密算法对信息的真实性、完整性和不可抵赖性进行保护，其安全性是基于计算复杂度的假设，未来会受到如量子计算机等先进算力的严重威胁。为了实现数字支付的无条件安全性，近日，奥地利科学家通过发展量子数字支付协议成功确保了身份认证和支付信息防伪造[Nat. Commun. 14, 3849 (2023)]。然而，想要为整个电子商务交易过程提供完整安全性，还需要解决不可抵赖这一特殊信息安全要素。目前在国内外都还未提出这个问题切实可行的量子解决方案。

图1电子商务示意图

图2 量子电子商务网络及其交易流程示意图

基于量子力学基本原理的量子信息科学被认为是提供信息安全所有要素的理想途径。基于量子密钥分发的量子保密通信可以确保消息机密性的无条件安全。而基于量子态传输的量子数字签名可以同时为信息的处理提供无条件安全的真实性、完整性和不可抵赖性。研究团队对如何构建高效安全的量子数字签名进行了近十年的研究。特别是在近两年通过发展一次性全域哈希（通用哈希）量子数字签名[Natl. Sci. Rev. 10, nwac228 (2023); Phys. Rev. Applied 20, 044011 (2023)]，将长消息的签名效率提升了八个数量级以上。在此次研究中，研究团队将量子数字签名作为一个底层技术，通过含噪声量子态的隐私特性、一次性全域哈希函数的单向性和秘密共享的非对称特性而构建了一个无条件安全的量子电子商务协议，如图2所示。

图3 (A)签名率，(B)失败概率

该量子电子商务协议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。该方案成功在25 dB（约150千米光纤衰减）的传输损耗下对大小为0.428 Mb的交易文件实现每秒0.82次的处理速率，如图3(A)所示。相较之前量子数字支付方案[Nat. Commun. 14, 3849 (2023)]，处理速度与传输距离均有了极大提升。此外，该方案在处理大文件时具有出色的性能，随着签名长度的增加，在相同的失败概率下，签名文件的大小呈指数级增长，在20 dB的传输衰减下对千兆大小的文件处理速度超过10次每秒，如图3(B)所示，为实现城域范围内的实时交易带来希望。同时，研究团队还证明了该方案对于设备不完美的鲁棒性，实验中通过量化量子态的制备缺陷、量子态的传输偏差，对包括光强波动、码型效应、偏振偏差、相位差异和特洛伊木马攻击等所造成的信息泄露量精确估计，而给出了协议失败的最大概率。此外，该研究工作中建立的网络结构不需要事先指定可信第三方进行支付验证，因而不需要固定中心节点。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协议中量子态调制速率、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将得到多个数量级的提升。

相关研究成果以“Experimental quantum e-commerce”为题于2024年1月12日发表在Science Advances《科学·进展》上。相关工作一经发表受到了国内外媒体的广泛关注，并且被Nature杂志以研究亮点、New Scientist 《新科学家》科技新闻杂志、新华社、人民日报海外版和光明日报等新闻媒体报道。南京大学物理学院在读博士生曹啸宇和李炳宏为论文共同第一作者，中国人民大学尹华磊副教授（原南京大学物理学院副教授）和南京大学物理学院陈增兵教授为通讯作者。该研究工作得到国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、中央高校基本科研业务费等的支持。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adk3258

Nature研究亮点链接：

https://www.nature.com/articles/d41586-024-00128-2

New Scientist新闻链接：https://www.newscientist.com/article/2411985-first-unhackable-shopping-transactions-carried-out-on-quantum-internet/

新华社客户端新闻链接：

https://h.xinhuaxmt.com/vh512/share/11853996?d=134d6f1

新华社微信公众号新闻链接：

https://mp.weixin.qq.com/s/XSUUJ8cxjH7v2Ft1TDJf9A

新华社英文网新闻链接：

https://english.news.cn/20240113/da5558eb2f0b428a90a14d6d8c9aae32/c.html

人民日报海外版头版：

http://paper.people.com.cn/rmrbhwb/html/2024-01/15/content_26036975.htm