近日，我校物科院陆亮亮副教授课题组联合南京电子器件研究所、中国人民大学、南京大学和安徽大学等团队在基于半导体光量子芯片的多用户量子共识网络方面取得研究进展。相关成果以“Experimental quantum Byzantine agreement on a three-user quantum network with integrated photonics”为题发表在国际著名学术期刊Science Advances上。

拜占庭共识协议（又称拜占庭容错算法或拜占庭将军问题）作为现代加密货币与区块链技术的基石，致力于解决分布式系统中节点之间达成共识的问题，以确保即使存在恶意行为（如消息被篡改）的情况下仍然能在正常节点之间实现分布式系统的一致性。经典的拜占庭共识协议面临两大挑战：一是经典拜占庭共识协议受到1/3容错极限的严格制约，这意味着系统至少需要3f+1个节点来容忍f个恶意节点；二是传统的加密算法受到量子计算严重威胁。对于三方共识问题，研究者曾提出通过制备以及操作高度复杂的特殊纠缠态，利用信道之间的关联性超越这个容错极限。然而，这一框架不可避免地引入了额外的假设，导致协议有一定概率被迫中止且难以在现实网络中得到应用。针对这一挑战，研究团队首次将源无关的全连接量子通信网络与一次一哈希量子数字签名方案结合用于去中心化的拜占庭共识系统，实现了1/2容错极限的无条件安全共识网络。

实验装置图

研究团队基于优化设计算法和成熟的半导体工艺制备了一个具有高模式重叠度的AlGaAs光量子芯片（图A），通过布拉格反射波导结构中的模式相位匹配，并利用材料的弱双折射效应直接产生了宽带偏振纠缠光子。该量子光源在26 nm带宽下的偏振纠缠态保真度保持在94.5%以上，亮度达到了45.6 MHz/mW，是目前通讯波段最亮的单片集成偏振纠缠光源。利用波分复用技术选择出三对光子并以特定组合方式分发给三个不同的用户，团队构建了一个去中心化的三用户全连接量子通信网络，可在任意用户之间通过BBM92通信协议实现量子密钥分发（图B-D）。实验中，结合两个不等臂的偏振保持干涉仪和时分复用技术，团队搭建了小型化、模块化的偏振解码器（图E），使得每个用户只需要一个探测器即可实现成码，这将极大地降低网络的部署成本，具有重要的实际应用价值。

为了展示基于量子数字签名的量子拜占庭共识框架的可行性和实用性，团队发展了高效后处理算法，采用无需完美密钥的一次一哈希量子数字签名在参与者之间构建非对称关系，使得连接的信道不再相互独立。此方案直接利用全域哈希函数作用在待签名的多比特文件上，将其映射成数百比特的摘要。量子态对应的量子密钥被用于哈希函数的选择和摘要的加密。因此只需要数百个量子密钥就可以一次性对整个文件进行签名，极大地提升了签名效率。同时，量子数字签名的不可篡改性和不可抵赖性保证了信息在传递过程中不会被篡改和否认来源，因此满足拜占庭交互一致性条件。

该集成化的量子通信系统具有可扩展空间大和低成本的优点。未来可将具有直接带隙结构的布拉格反射波导与分布式反馈激光器结合实现单片集成的常温电泵浦偏振纠缠光源；利用便携式、易操作的解码模块，从而构建大规模的量子区块链共识网络，提高分布式系统的数据安全性和容错能力。其应用前景可涵盖金融领域的安全交易、供应链管理、物联网设备、智能电子政务、医疗保健、分布式存储等。

博彩论坛 2023级硕士生经旭为论文第一作者，2022级硕士生钱诚、南京大学博士生翁晨洵和李炳宏为共同第一作者，博彩论坛 物科院为第一单位和通讯单位。该研究工作得到国家自然科学基金和江苏省研究生科研与实践创新计划项目的支持。

论文全文链接：//www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adp2877