通过联合验证与认证增强量子音频水印的安全性

在量子世界中保护声音

音乐、播客和语音录音越来越多地由强大的计算机处理，而这些计算机未来可能是量子的。这就提出了一个新问题：当音频可以以奇特的新方式被复制或篡改时，我们如何证明某个音轨的所有权？本文探讨了一种面向量子时代的音频水印方法——一种将所有权标记隐藏在声音中的技术——旨在即便在量子计算机和量子通信链路存在的情况下，也难以移除并且难以伪造。

为何普通水印不够

传统的数字水印在音频文件中嵌入一个人耳难以察觉但计算机可检测的隐藏模式。早期的量子水印方法借用了这一思路，主要关注在音频被压缩、传输或轻微失真时保持水印完整。然而，它们对另一类危险关注不足：如果有人窃取了水印本身、伪造类似水印，或将真实水印粘贴到伪造音频上以宣称并非其所有的版权怎么办？作者认为，在数据可以被以新方式探测和操纵的量子环境中，这种保护缺口会成为一个严重的弱点。

只适合正确页码的印章

为弥补这一缺陷，研究人员借鉴了一个非常古老的安全技巧：在纸币和契约上使用的联印章。印章盖在两页或两张票据的接缝处；单独看每一页都不完整，但合在一起则形成能证明两者属于同一份的完整标记。在该量子水印方案中，隐藏图像（例如徽标）被分成两部分。一部分作为随同从音频本身特征派生的秘密密钥一起传递的“校验”；另一部分作为编织进量子版本声音中的“证明”。只有当两部分匹配——且与特定音频匹配时——系统才接受水印为真实。这种联合验证与认证步骤使攻击者更难复制、篡改或误用水印。

在量子声音中隐藏标记

在底层，该方法依赖于用量子比特（qubit）描述声音和图像的方式。音频波形被转换为量子态，水印图像也被转换为一格格的量子像素。水印的“证明”部分被小心地嵌入音频中影响最小的比特位，以保证改动不可闻。同时，“校验”部分与两个关于音频随时间行为的简单摘要结合，生成一个长的秘密密钥。因为该密钥依赖于水印与特定音轨，若任一被替换或篡改，密钥就不再匹配。为了进一步抵抗量子信息的天然脆弱性，证明部分被包裹在一个基本的量子纠错码中，将水印的每一位存储在三个量子比特上，从而允许系统在读取前修复某些类型的噪声。

在噪声与攻击下的表现

作者使用计算机模拟测试了他们的设计，模拟量子音频在通过会随机翻转量子比特的噪声信道时的行为。他们将一个徽标嵌入若干不同音频片段，然后在不同程度的干扰后尝试恢复它。结果表明，水印音频仍然听起来干净——其信噪比保持在46分贝以上，这一水平通常被认为对听众是透明的——即便隐藏信息量相对较高。与此同时，提取出的水印图像在较宽的错误率范围内仍然清晰，翻转比特的数量远少于若干领先的量子水印方案。当他们模拟常见攻击——如替换音频、换入伪造水印图像或试图重用被窃取的水印——系统都会正确地将这些情况标记为无效，因为两部分水印与依赖音频的密钥不再对齐。

在容量、质量与安全之间的权衡

该方法的一个吸引人之处在于它可以调节。一个参数控制多少水印成为作为深度保护的“证明”部分，以及多少成为与密钥关联的“校验”部分。将该参数设为一端可获得高数据容量，适合需要隐藏大量信息的情形；将其设为另一端则牺牲容量但显著提高对噪声和错误的抵抗力。在这些选择中，音频质量保持很高，而水印在未被检测到的情况下仍无法被干净地复制或滥用。简单来说，这项工作表明，不仅可以在未来的量子音频中隐藏所有权标记，还可以将这些标记紧密绑定到特定录音上，使窃贼难以轻易宣称、篡改或移植它们。

引用: Xing, Z., Lam, CT. & Yuan, X. Enhancing quantum audio watermarking security through joint verification and certification. Sci Rep 16, 5616 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36535-w

关键词: 量子音频水印, 数字版权保护, 量子纠错, 安全多媒体, 量子信息