Experimental demonstration of a reconfigurable three-user quantum digital signature network
本文展示了通过光纤实现的、可重构的三用户量子数字签名网络的实验演示，其中任何参与者均可以使用相同的硬件动态地充当签名者，并在量子密钥分发失效的机制下仍能成功生成有效签名。
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在数字世界中，证明一条消息确实来自其声称的发送者，并且未被篡改，是数字签名的职责。几十年来，这些电子印章一直依赖于复杂的数学难题，这些难题对于当今的计算机来说难以破解。然而，强大的量子计算机的兴起威胁到了这些难题，可能使我们的数字通信变得脆弱。为了应对这一挑战，科学家们正转向物理学本身的定律。其中一种方法是量子密钥分发，这种方法利用光粒子来创建理论上无法在不被察觉的情况下被拦截的秘密代码。虽然这项技术在保持消息私密性方面表现出色，但一种相关但截然不同的技术——量子数字签名，旨在实现不同的目标：它保证消息的来源和完整性，而不一定需要对内容保密。挑战在于，早期的这些签名系统非常僵化，要求参与者承担固定的角色，这使得它们难以应用于一个任何人都有可能需要发送消息的灵活现实网络中。
一支研究团队现在展示了一种让这些量子签名网络变得灵活且实用的方法。通过使用一个由光纤电缆连接的三人网络，他们构建了一个系统，其中任何三个人中的任何一个都可以随时进入发送者或签名者的角色。在他们的设置中，参与者通过一个中央交换机连接，该交换机负责引导量子态（即用于携带信息的特定光模式）的流动。当一个人担任签名者时，另外两人则担任接收者和验证者。这项实验的独特之处在于每个位置的硬件都是相同的。因为每个节点都是以同样的方式构建的，所以系统只需通过改变交换机路由光线的方式，就能动态地重新分配谁来签署消息，而无需重建或重新配置设备。这证明了量子网络可以是具有适应性的，允许任何参与者发起安全的签名过程。
研究人员通过让这三名参与者轮流担任签名者，测试了这个可重构的网络。在每种场景下，系统都成功生成了有效的签名。他们测量了这些签名生成的速度，并发现生成速度取决于哪两个人正在进行通信，这主要是由于他们的探测器捕捉入射光粒子的效率存在差异。该团队还将他们的结果与标准量子密钥分发（用于创建加密密钥的技术）的性能进行了比较。他们发现了一个针对签名的关键优势：即使在条件差到无法产生秘密密钥的其他技术环境下，该系统仍能生成有效的签名。这是因为创建签名并不像创建秘密密钥那样需要同等水平的纠错和数据处理。
这种差异对于量子通信的未来具有重要意义。在实验中，研究人员发现，当他们尝试使用用于单个签名的少量数据来创建秘密密钥时，由于纠错过程中损失的信息过多，导致过程失败。然而，签名系统使用同样的小量数据却成功了。这表明，量子签名可以以较低的延迟运行，并且对内存存储的需求也比专门为秘密密钥设计的系统更少。通过展示网络可以在变化条件下切换角色并同时保持安全性，研究人员向构建一个灵活性与可靠性并重的稳健量子通信基础设施迈出了至关重要的一步。
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