量子签名若干关键问题研究

Four key problems of quantum signature (QS) will be investigated in this project. Firstly, several typical arbitrated QS schemes were recently cryptanalyzed by some research groups. In order to improve the security level of arbitrated QS schemes, we will give comprehensive consideration and analysis on them and derive some basic security requirements and effective countermeasures. Secondly, we will explore an efficient arbitrated QS scheme in which the signatory and the receiver will share a long-term secret key with the arbitrator. The newly introduced approach will solve the long lasting problem in all the existing arbitrated QS schemes that the key shared between the signatory and the arbitrator, or between the receiver and the arbitrator, could be used only once. Thirdly, on-line payment systems are generally used for large-value payment transactions and require higher security. So we will apply efficient and secure arbitrated QS to quantum on-line payment systems which can ensure the security and make them easy to use. Finally, we would examine the contradictory results on the impossibility of true QS and a true QS scheme proposed recently. We would attempt to make a clearer explanation regarding this issue that ensures the further development of true QS. Settlement of these four issues is of great significance to enrich and improve the research of QS.

本项目主要从事量子签名（QS）的基础研究，着重解决以下四个问题：1）分析仲裁QS方案的安全性并提出改进方法。目前多个研究团队指出以往的方案存在安全攻击，因此针对这些安全问题综合考虑和分析仲裁QS方案的安全性，并给出防范措施。2）设计高效的仲裁QS方案。已有方案中签名方和接收方与仲裁方共享的密钥仅能被使用一次，而将设计的方案中签名方和接收方可与仲裁方共享和使用长期密钥，从而效率可以显著提高。3）将安全高效的仲裁QS应用于在线量子支付系统中。在线支付系统通常用于大额支付，从而需要更高强度的安全性。安全高效的仲裁QS的应用可使得在线量子支付系统在保证安全的前提下更加简单实用。4）讨论真实QS的存在性。关于量子消息的真实QS曾被证明不可行，而最近可对量子消息进行签名的真实QS方案又被提出来，因此急需解决这两者之间的矛盾，并刻画真实QS的若干特征。这些问题的解决对于丰富和完善QS的研究具有重要意义。

量子签名（QS）作为经典签名在量子世界里的对应物，可以通过量子力学原理来实现对经典或量子信息的签名。它的安全性已不再是依赖某个数学困难问题，从而可以弥补大多数经典算法仅提供计算安全性的缺陷。根据可信仲裁方的参与程度，目前主要有两种类型的QS：仲裁QS和真实QS。本项目主要对这两种类型的签名及其相关问题进行了研究并 取得了如下五个方面的成果：1）发现了已有的典型QS方案中存在一个严重的安全问题，即方案中的签名方所签的消息及其对应的签名能够在不同的接收方之间进行转换，分析了该问题存在的原因并给出了一些措施来避免这个问题以及如何增强仲裁QS的安全性；2）通过综合量子密码技术和经典密码技术设计了一个高效的仲裁QS方案，实现了对任意长度的经典消息的签名，并首次给出了该类方案安全性的形式化证明；3）证明了已有的一个真实QS方案的不安全性，并解决了它与Barnum等人给出的针对量子消息QS不存在结论之间的矛盾；4）通过综合量子密码和量子计算的思想，以提出多服务器量子盲计算方案的形式解决了量子盲计算中的一个公开问题；5）考虑了量子密钥协商、变色龙签名以及陷门承诺等其他密码问题。此外，依托此项目，申请人还获得了参与国际理论物理中心（ICTP）举办的学术活动的机会。本项目所取得的成果将有助于量子密码、经典密码以及量子计算等方面的相互融合。