Quantum digital signatures (QDS), generating correlated bit strings among three remote parties for signatures through quantum law, can guarantee non-repudiation, authenticity, and integrity of messages. Recently, one-time universal hashing QDS framework, exploiting the quantum asymmetric encryption and universal hash functions, has been proposed to significantly improve the signature rate and ensure unconditional security by directly signing the hash value of long messages. However, similar to quantum key distribution, this framework utilizes keys with perfect secrecy by performing privacy amplification that introduces cumbersome matrix operations, thereby consuming large computational resources, causing delays and increasing failure probability. Here, we prove that, different from private communication, imperfect quantum keys with limited information leakage can be used for digital signatures and authentication without compromising the security while having eight orders of magnitude improvement on signature rate for signing a megabit message compared with conventional single-bit schemes. This study significantly reduces the delay for data postprocessing and is compatible with any quantum key generation protocols. In our simulation, taking two-photon twin-field key generation protocol as an example, QDS can be practically implemented over a fiber distance of 650 km between the signer and receiver. For the first time, this study offers a cryptographic application of quantum keys with imperfect secrecy and paves a way for the practical and agile implementation of digital signatures in a future quantum network.


翻译:量子数字签名(QDS)通过量子法在三个边远方之间生成相关签名的连接点字符串,通过量子法,可以保证信息的不否认、真实性和完整性。最近,利用量子不对称加密和普遍散列功能,一次性通用散列QDS框架(QDS)建议大幅提高签名率和确保无条件安全,直接签署长信息散值。然而,与量子键分布类似,这个框架利用完全保密的钥匙,进行隐私扩展,引入繁琐的矩阵操作,从而消耗大量计算资源,造成延误和失败概率增加。在这里,我们证明与私人通信不同,信息泄漏有限的不完善量子键可以用于数字签名和认证,而不损害安全,同时在签名率上进行八级的签名率改进,与传统的单位计划相比,可以大大缩短数据后处理的延迟,并与任何量子键生成协议相兼容。在我们模拟中,以2-pton双基关键生成协议作为例子,QDSDS可以实际存储器与未来存储器存储器的卡质存储器进行首次研究。

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