量子数字签名是量子时代的安全 “印章”。在数字信息高速流转的今天，如何确保信息的真实性、完整性和不可抵赖性成为关键课题。传统数字签名依赖复杂的数学算法，但随着量子计算机的发展，这类基于计算复杂性的安全体系面临严峻挑战。量子数字签名技术应运而生，它借助量子力学的基本原理构建安全屏障，成为量子通信领域极具应用价值的方向之一。

一、核心原理

量子数字签名的安全性并非依赖数学难题，而是植根于量子力学的固有特性，其中最关键的两大支柱是量子不可克隆定理和量子测量坍缩效应。
量子不可克隆定理明确指出，不存在能够精确复制任意未知量子态的物理过程。这意味着攻击者无法通过窃取、复制量子信号来伪造签名，从根本上杜绝了 “复制伪造” 的可能。而量子测量坍缩效应则表明，对量子态的测量会导致量子态发生不可逆的改变。在签名验证过程中，一旦有人试图篡改量子签名信息，必然会引发量子态的变化，这种变化会被验证方察觉，从而及时发现信息被篡改的痕迹。
基于这两大特性，量子数字签名实现了 “一次一签、篡改可测、抵赖无据” 的核心安全目标，其安全性具有理论上的 “无条件安全” 属性，不受未来计算技术（包括量子计算）发展的威胁。

二、主要技术分类

目前，量子数字签名技术主要可分为三类，各类技术在原理和应用场景上各有侧重。
1.基于纠缠的量子数字签名
该类技术利用量子纠缠特性实现签名与验证。通信双方共享预先制备的纠缠量子对，签名方通过对自身持有量子比特的操作生成签名，验证方则通过对纠缠量子对的联合测量来验证签名真伪。由于纠缠态的关联性具有非局域性，攻击者无法在不破坏纠缠的情况下窃取签名信息，安全性极高，但对量子纠缠的制备、存储和传输要求严苛，目前更多处于理论研究和实验验证阶段。
2.基于单光子的量子数字签名
以单光子为信息载体，签名方通过调制单光子的偏振态、相位等量子参数来编码签名信息。验证方通过相应的测量设备解读量子参数，完成签名验证。单光子技术相对成熟，易于实现短距离传输，在小型化、低成本的场景中具有潜在优势，但受单光子传输损耗影响，远距离应用面临挑战。
3.基于量子密钥分发（QKD）的量子数字签名
这是目前最接近实用化的技术路线。它先通过 QKD 协议为通信双方分发安全的量子密钥，再利用该密钥结合传统数字签名的逻辑完成签名生成与验证。QKD 技术已实现商业化应用，为量子数字签名提供了可靠的密钥保障，兼顾了安全性与实用性，目前在金融、政务等领域的试点应用多采用此类方案。

三、优势

1.抗量子计算攻击能力
这是量子数字签名最关键、最不可替代的优势，直接针对传统数字签名的“致命短板”。
传统数字签名的脆弱性
传统数字签名的安全性完全依赖于经典数学难题的计算复杂性，例如：
RSA、Rabin：依赖“大整数分解”难题；
ECC（椭圆曲线密码）、DSA/ECDSA：依赖“椭圆曲线离散对数”或“有限域离散对数”难题。
然而，量子计算机的肖尔（Shor）算法可在多项式时间内破解上述所有难题；即使是尚未成熟的量子计算机，也可能在未来10-30年内对传统密码体系形成实际威胁（行业称为“量子安全危机”）。一旦量子计算机达到足够算力，基于上述算法的签名将可被伪造，导致身份认证失效、数据完整性被破坏。
量子数字签名的抗性原理
量子数字签名的安全性不依赖于传统数学难题，而是基于抗量子的数学问题或量子力学基本原理，从根源上免疫量子计算攻击：
后量子数字签名（Post-Quantum Signature, PQS）：基于格密码（如ML-DSA、Dilithium）、哈希函数（如SPHINCS+、SLH-DSA）、同源密码（如SQISign）等“量子计算机难以高效求解”的数学难题，目前尚无已知量子算法能在多项式时间内破解。
基于量子态的签名方案：直接利用量子力学的不可克隆定理（任何未知量子态无法被精确复制）和测量扰动原理（对量子态的测量会改变其本身），使得伪造签名需要物理上不可实现的量子操作，安全性不依赖任何计算假设。
例如，NIST选定的标准算法ML-DSA（基于模格）和SLH-DSA（基于哈希），其安全性可抵御现有及未来可预见的量子计算攻击，而传统的ECDSA则无法做到。
2.无条件安全
传统数字签名的安全性是计算安全性——即“攻击者在有限计算资源下无法破解”，但理论上存在“算力足够时被破解”的可能（只是当前技术下不可行）。
而基于量子密钥分发（QKD）的量子签名方案（如“量子密钥分发+一次一密签名”的组合）具备信息论安全性（又称“无条件安全性”）：其安全性不依赖于攻击者的计算能力（即使攻击者拥有无限算力也无法破解），仅依赖量子力学的基本定律（如量子态的不可克隆、测量坍缩）。
这种特性使其特别适合长期安全需求场景（如政务数据归档、金融交易凭证存储、区块链区块签名等）——这些场景下的数据需要保障数十年甚至上百年的安全性，而传统签名依赖的“计算假设”可能在未来被技术突破颠覆。
3.强化的“不可否认性”与“抗伪造性”
传统数字签名的“不可否认性”依赖于“私钥唯一性”和“数学难题的不可解性”，但存在“私钥被量子计算破解后伪造签名”或“算法被攻破后否认签名”的风险。
量子数字签名通过两种方式强化了这一特性：
对于后量子签名：由于其依赖的抗量子数学问题（如格上的最短向量问题SVP）具有“最坏情况到平均情况的归约性”——即“破解一个随机实例等价于破解该问题的所有实例”，这使得算法的安全性更“硬核”，伪造签名的难度远高于传统算法。
对于基于量子态的签名：签名过程涉及量子态的传输与验证，任何伪造行为（如复制量子态、篡改测量结果）都会留下物理痕迹（如量子态的扰动），且签名者无法否认自己发送的量子态（因量子态与签名者的私钥量子资源绑定），从物理层面杜绝了“否认签名”的可能。
4.适配未来“量子-经典混合网络”
随着量子通信技术（如QKD网络）的普及，未来网络将逐步进入“量子-经典混合架构”。量子数字签名可天然适配这种架构：
后量子签名可直接替换传统签名的“算法层”，无需改造现有网络硬件（如服务器、终端），兼容性强（如OQS项目的liboqs库可无缝集成到TLS、SSH等现有协议中）；
基于量子态的签名可与QKD网络深度融合，利用量子信道传输签名信息，经典信道传输验证辅助信息，形成“量子安全+经典易用”的混合方案，填补传统签名在量子网络中的安全空白。

四、开源项目

1.liboqs
由Open Quantum Safe（OQS）项目开发，是一个开源的C语言库，用于量子安全密码算法的原型设计和实验。它提供了多种量子安全密钥封装机制（KEM）和数字签名算法的实现，如BIKE、Classic McEliece、FrodoKEM、HQC、Kyber、NTRU - Prime等，并为这些算法提供了一个通用的API。liboqs支持Linux、MacOS和Windows平台，可使用clang、gcc和Microsoft编译器进行编译，还包含测试工具和基准测试程序，方便开发者评估不同算法的性能。
openHiTLS：openHiTLS开源社区宣布开源NIST标准化的后量子算法ML - KEM（Module Lattice - Based Key Encapsulation Mechanism）、ML - DSA（Module Lattice - Based Digital Signature）和SLH - DSA（Stateless Hash - Based Digital Signature）。ML - DSA基于格密码学中模格上的困难数学问题进行构造，采用Fiat - Shamir with Aborts范式，具有较高的安全性和效率。SLH - DSA基于抗量子哈希函数，通过分层Merkle树、一次性签名技术等实现无状态签名，无需维护密钥状态，安全性仅依赖于哈希函数，适合在高安全场景使用。
2.SQISign - SageMath
这是一个基于SageMath的SQISign实现项目，SQISign是根据Luca de Feo、David Kohel、Antonin Leroux、Christophe Petit和Benjamin Wesolowski在2020年发表的论文“SQISign: compact post - quantum signatures from quaternions and isogenies”开发的。项目包含了sqisign.py文件，实现了密钥生成、承诺、挑战、响应和验证响应等主要功能，并提供了两个示例文件example_sqisign.sage和example_signing.sage。
SPHINCS+：SPHINCS+是NIST后量子密码标准中的一种数字签名算法，其开源软件库基于SPHINCS+官方提交，利用多层次哈希树结构和Winternitz一次一密短签名（WOTS+）以及FORS（Forgery - resistant One - time Signature）机制构建了非交互式的抗量子签名方案。它提供了36组预定义参数集，覆盖NIST定义的安全级别1、3、5，代码置于公有领域，并提供CC0 - 1.0、0BSD、MIT - 0等多重许可，还包含多项自动化测试以确保代码质量与兼容性。
3.OQS - OpenSSH
这是基于OpenSSH的一个分支，是Open Quantum Safe（OQS）计划的一部分，通过集成liboqs库，为SSH协议添加了量子安全的密钥交换和签名算法。它支持多种量子安全的密钥交换算法和数字签名算法，如Dilithium、Falcon、MAYO、ML - DSA、SPHINCS等，旨在应对未来量子计算机对SSH协议安全性的威胁，目前处于实验阶段。

五、应用场景

量子数字签名的无条件安全特性，使其在对信息安全要求极高的领域展现出广阔的应用前景。
1.金融领域
银行转账、证券交易等业务对交易指令的真实性和不可抵赖性要求严苛。采用量子数字签名后，可有效防范交易信息被篡改、交易指令被伪造等风险，保障金融交易的安全可靠。
2.政务领域
电子公文流转、政务数据共享等场景涉及大量敏感信息。量子数字签名能够确保公文来源真实、内容完整，防止公文被篡改或伪造，同时解决了政务操作中的责任认定与抵赖问题。
3.军事通信领域
对信息保密性和抗干扰性有极致要求。量子数字签名可应用于军事指令传输、情报共享等环节，即使面临量子窃听或强电子干扰，也能保障指令的安全传递与执行确认。
此外，在知识产权保护、医疗数据共享、电子商务等场景，量子数字签名也能为信息交互提供底层安全保障，助力数字经济的安全发展。

六、挑战与展望

尽管量子数字签名技术具有显著优势，但目前仍面临诸多挑战。在技术层面，量子信号在传输过程中存在损耗，远距离通信需依赖量子中继技术，而量子中继的实用化尚未完全实现；量子设备的稳定性、抗干扰能力以及成本控制，也制约着技术的规模化应用。在标准层面，目前全球尚未形成统一的量子数字签名技术标准和应用规范，影响了不同系统间的互联互通。
不过，随着量子通信技术的持续突破，这些挑战正逐步被攻克。量子中继技术的研究已取得重要进展，量子设备的国产化和小型化进程不断加速，部分行业的应用试点也为标准制定提供了实践依据。未来，随着量子网络的建成与完善，量子数字签名将与量子加密通信、量子计算等技术深度融合，构建起覆盖全域的量子安全体系，成为数字时代不可或缺的安全 “印章”。