安全多方量子計(jì)算中若干關(guān)鍵問題的研究.pdf

1、量子信息學(xué)是融合量子力學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)以及信息學(xué)的一門新興的交叉學(xué)科，隨著學(xué)科的發(fā)展和研究的深入，取得了令人矚目的成果，但同時(shí)也對經(jīng)典的信息安全構(gòu)成了威脅，面對量子計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力和量子算法，基于計(jì)算復(fù)雜性的經(jīng)典密碼體系顯得尤為脆弱。幸運(yùn)的是，量子信息學(xué)的發(fā)展同樣為信息安全提供了新的思路和途徑，將量子信息技術(shù)融入經(jīng)典密碼學(xué)，利用量子力學(xué)的基本原理，可以構(gòu)建出安全性更高的量子密碼體系，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下的信息安全計(jì)算和安全通信。由于量子密碼

2、獨(dú)特的安全特性，引起眾多學(xué)者的關(guān)注，已成為量子信息學(xué)科的研究熱點(diǎn)。
　　安全多方量子計(jì)算是量子密碼學(xué)的一個(gè)重要分支，也是量子密碼學(xué)領(lǐng)域的延伸與拓展，主要研究在一般環(huán)境下，如何安全完成某個(gè)計(jì)算任務(wù)或是計(jì)算一個(gè)約定函數(shù)，在一些諸如秘密共享、電子投票等場景應(yīng)用以及多方計(jì)算函數(shù)的安全實(shí)現(xiàn)中有著重要的作用。本文對安全多方量子計(jì)算基礎(chǔ)協(xié)議和應(yīng)用協(xié)議進(jìn)行了研究分析，對量子秘密共享、量子態(tài)安全制備以及盲量子計(jì)算方面做了重點(diǎn)研究，特別是協(xié)議的構(gòu)建、

3、安全性和適用性方面做了一定工作，并取得了一些成果，主要包括:
　　(1)利用多粒子GHZ態(tài)在互補(bǔ)基測量下的關(guān)系，提出了一個(gè)簡單高效的多方量子秘密共享方案，該方案無需進(jìn)行西操作，參與者只需進(jìn)行投影測量以及信息交互便能實(shí)現(xiàn)秘密共享。理論分析表明，方案不僅對常規(guī)的攻擊手段，如截獲-重發(fā)、糾纏攻擊等，具有良好的安全性，而且對于虛假信息這種高危害性攻擊方式，有較好的檢測和信息保護(hù)能力，而大多數(shù)量子秘密共享協(xié)議則對參與者的行為做出了限制或假設(shè)

4、，未能考慮參與者實(shí)施虛假信息攻擊的可能。同時(shí)，利用高維的GHZ態(tài)，本協(xié)議可以推廣到高維量子系統(tǒng)，且具有同樣的安全性。
　　(2)提出了一個(gè)四粒子Cluster態(tài)的聯(lián)合遠(yuǎn)程制備方案，方案中構(gòu)造了特殊的正交測量基，使用任意的EPR對作為量子信道資源，制備者對手中的EPR粒子進(jìn)行投影測量，接收者根據(jù)測量結(jié)果，進(jìn)行相關(guān)的酉操作和CNOT操作，能夠得到一個(gè)四粒子Cluster態(tài)|Φ>=a|0000>+beiθ1|0011>+ceiθ2|11

5、00>+deiθ3|1111>。相比同類大多數(shù)方案的制備概率性，本方案制備成功率為1，即屬于確定性方案，同時(shí)使用了EPR態(tài)，對于現(xiàn)有的物理技術(shù)，較為容易制備。
　　(3)在分析研究基于測量的量子計(jì)算模型和通用盲量子計(jì)算基礎(chǔ)上，提出了一個(gè)多方盲量子計(jì)算基本協(xié)議，協(xié)議結(jié)合未來量子計(jì)算可能的應(yīng)用模型，將客戶端限定為只擁有量子信道的經(jīng)典用戶，通過多個(gè)服務(wù)端的協(xié)作，客戶端可以完成量子計(jì)算任務(wù)而保持計(jì)算信息的盲性。同時(shí)，對基本協(xié)議的盲性和安全

6、性進(jìn)行了分析，特別是對信道噪聲和外部攻擊給計(jì)算造成的破壞影響以及服務(wù)端可能采取的攻擊進(jìn)行了研究，在此基礎(chǔ)上，對基本協(xié)議做了修改，提出了一個(gè)具有噪聲和安全性檢測的安全多方盲量子計(jì)算協(xié)議，該協(xié)議能夠檢測出盲量子計(jì)算過程中信道噪聲和服務(wù)端的攻擊，具有高安全性和較為廣泛的適用性。
　　(4)盲量子計(jì)算本質(zhì)是基于測量的量子計(jì)算模型的加密計(jì)算，等價(jià)于量子線路計(jì)算模型，盲量子計(jì)算通過模擬量子線路中的量子邏輯門完成計(jì)算任務(wù)，因此，量子線路的規(guī)模決

7、定了盲量子計(jì)算的資源使用效率和計(jì)算效率，我們研究了量子線路的模板優(yōu)化技術(shù)，利用遺傳算法優(yōu)秀的搜索能力，提出了基于遺傳算法的量子模板線路合成算法，實(shí)驗(yàn)表明，該算法沒有任何計(jì)算和存儲(chǔ)的限定，可以得到任意規(guī)模的模板線路以及更為完整的模板庫，提高了量子模板線路的優(yōu)化能力。通過模板線路對量子線路的優(yōu)化，可以縮小量子線路的規(guī)模，進(jìn)而減少盲量子計(jì)算的資源使用，提高計(jì)算的效率。
　　總之，本文針對安全多方量子計(jì)算的基礎(chǔ)協(xié)議和應(yīng)用協(xié)議的構(gòu)建、安全性