非绝热和乐量子计算新进展

量子计算是基于量子力学规律调控量子信息单元进行计算的一种新型计算模型.众所周知,对噪声不敏感的高保真度量子逻辑门是实现大规模量子计算的关键.几何量子计算是利用几何相位来实现量子逻辑门操作的量子计算策略,其特点是利用几何相位的整体性质避免某些局域噪声对量子操作的影响,从而实现高保真度的量子逻辑门.因此,基于几何相位的量子操控是量子信息处理领域中非常重要的研究课题.该文以基于非阿贝尔几何相位的和乐量子计算为例,介绍非绝热和乐量子计算方案的新进展.     

超导非绝热几何量子计算及其优化控制

为实现量子门的高保真度和强鲁棒性,提出基于超导量子电路体系的非绝热几何量子计算方案.仅通过对超导比特施加含时共振微波驱动的方式,可以在超导比特上实现任意的单比特几何量子门.同时,在2个电容耦合的超导比特体系中,非平庸的2比特几何量子门也可以类似地实现.结果表明:提出的非绝热几何量子计算方案不仅对几何量子操作具有较好的鲁棒性,还可以与优化控制技术兼容,进一步增强量子门的鲁棒性.该方案的提出使容错固态量子计算的研究与发展向前迈出了重要的一步.     

一种高效的多身份全同态加密方案

利用高效的格陷门生成算法构造了身份基加密方案。方案的安全性可归约到标准LWE问题,大大降低了格安全维数,同时降低了密钥规模和计算复杂度。将该方案转化为单身份的全同态加密方案,利用近似奇异向量消除同态运算密钥,运用原象矩阵进行加密,使用子高斯随机变量分析参数,同时将方案的噪声膨胀率由O(n)降为O(n~(0.5))。最后进一步利用扩展密文方法和掩藏方案构造了高效的支持多身份的全同态加密方案。     

基于全同态加密与对称加密融合的批处理方案

现有的全同态加密方案都具有很大的密文膨胀问题,该问题是制约实际应用的重要瓶颈.为了提高传输效率,Naehrig等提出了混合加密的想法,即用户使用密钥为k的对称算法E加密明文m,再使用公钥为pk的全同态方案加密密钥k,将缩小尺寸后的密文c′=(HEpk(k),Ek(m))发送给云端,云端可以同态运算解密电路CE-1解压出同态密文HEpk(m).本文将全同态加密与对称加密融合方案推广到批处理形式,利用中国剩余定理将l个密文Ek(m0),…,Ek(ml-1)打包进一个密文C中,将C′=(HEpk(k),C)发送给云端.云端利用C′,只需要同态运算CE-1一次就可以恢复出全部的HEpk(mi),这个过程在原方案中需要进行l次.通过这种方式,极大地缩短了原本需要耗费大量计算的同态运算解密电路过程.文中以批处理GSW13全同态加密与FLIP流密码融合方案为例详细说明了这一过程.与原方案相比,对于安全参数为λ的FLIP流密码方案,批处理方案可以将这个过程的计算复杂性从O~(λ3)缩小到O~(λ2).     

基于腔场中氮空穴色心的几何量子计算（英文）

利用纯几何操作,提出腔场中的氮空穴色心作为量子比特实现几何量子计算的方案.在暗态子空间中,选取合适的闭合演化回路,可以构造出单比特和双比特控制相位门.因此,该文提出了一种很有前景的实现容错量子计算的方案.     

在线/离线非单调CP-ABE方案构造

提出了支持非单调访问结构的在线/离线的CP-ABE方案。在离线加密阶段,完成了密文的主要构成部分的计算;在线加密阶段,将正属性集合上的非单调访问控制结构转变成由正、负属性集合上的基于线性秘密共享方案的单调访问控制结构,利用少量的加法和乘法操作生成密文的其余构成部分。在n-(B)假设成立条件下,证明了该方案具有选择性安全性。与原来的非单调CP-ABE方案相比,该方案系统参数和私钥规模保持不变,加密的总体计算复杂度仅有少量增加,但在线加密阶段的计算复杂度较小,可与解密外包服务相结合,使得该方案的离线加密和解密阶段都可在资源受限的小型设备上完成。     

基于全同态加密与对称加密融合的批处理研究（英文）

现有的全同态加密方案都具有很大的密文膨胀问题,该问题是制约实际应用的重要瓶颈.为了提高传输效率,Naehrig等提出了混合加密的想法,即用户使用密钥为k的对称算法E加密明文m,再使用公钥为pk的全同态方案加密密钥k,将缩小尺寸后的密文c′=(HE_(pk)(k),E_k(m))发送给云端,云端可以同态运算解密电路C_E~(-1)解压出同态密文HE_(pk)(m).本文将全同态加密与对称加密融合方案推广到批处理形式,利用中国剩余定理将l个密文E_k(m_0),…,E_k(m_(l-1))打包进一个密文C中,将C′=(HE_(pk)(k),C)发送给云端.云端利用C′,只需要同态运算C_E~(-1)一次就可以恢复出全部的HE_(pk)(m_i),这个过程在原方案中需要进行l次.通过这种方式,极大地缩短了原本需要耗费大量计算的同态运算解密电路过程.文中以批处理GSW13全同态加密与FLIP流密码融合方案为例详细说明了这一过程.与原方案相比,对于安全参数为λ的FLIP流密码方案,批处理方案可以将这个过程的计算复杂性从■缩小到■     

基于LWE的单层同态云计算方案

为了实现安全的远程操作,通过分析研究一次或单层的同态运算,构造了一个基于错误学习(LWE)的单层同态云计算方案(s LHCC).首先,根据解密者是否知道LWE问题中所使用的随机向量,构造了2个不同的单层同态加密方案s LHE1和s LHE2,并得到了相应的s LHCC方案.该方案在保持LWE问题困难性的基础上,实现了云端单次的同态加和乘运算.根据合理的操作约定和同态结果,用户可以在不泄露操作需求(密文)的情况下,执行远程操作和控制.结果表明,与其他同态加密方案相比,s LHCC的公钥尺寸从传统的矩阵降为向量,从而减小了密文尺寸和云端的存储需求.     

基于非对称量子信道的非局域N-qubit受控幺正门的网络设计与优化

本文提出在非对称量子信道辅助下有效地实现非局域N-qubit受控幺正门的局域操作方案.分别设计两个量子网络去实现该非局域门.方案一用(N–2)个对称的qubit-qubit Bell态和一个非对称的qubit-qudit Bell态作为量子信道.它利用qubit-qudit Bell态中qudit的(N–2)个附加能级将(N–1)个非局域控制态的多个计算基态"隐藏"起来,简化了该非局域门的操作.该方案的缺陷是,qudit的能级和所耗费的1-qudit门随N增加.在不改变网络功能的条件下,方案二用(N–1)个非对称的qubit-qutrit Bell态作为量子信道,对方案一进行了优化.该方案分别利用(N–1)个qutrit的第3能级仅将(N–1)个非局域控制态的某个计算基态"暴露"于随后的操作,进一步降低了网络的复杂度,提高了操控速度.值得注意的是,两个方案在不使用辅助系统的条件下所需的局域二体门仅为(3N–4)个.     

带茫然第三方的电子拍卖方案

保密的电子拍卖应防止拍卖者获得除获胜方之外其他竞标者的竞价信息。为此,通过减少拍卖者发送给竞标者的信息改进了Cach in的拍卖方案,不仅使计算和交互复杂度分别从O(nl)和O(kn2l)降低到O(l)和O(knl),还克服了原方案不能防止第三方T与竞标者恶意共谋的缺点。另外,进一步利用同态加密的性质,给出了一个更简单的新方案,它的计算和交互复杂度分别只有O(l)和O(kn),也能防止T与竞标者的恶意共谋。     

一种基于纠错码的数字签名协议

基于纠错码中的NPC问题——陪集重量问题和一般线性码译码问题,首先提出了一个数字签名协议,接着对签名协议提供几种可能的攻击方法,例如穷举攻击、仅知密文攻击、选择明文攻击和利用密钥伪造签名,进行安全性分析,并且给出相应安全性分析的计算复杂度,介绍了四种Goppa码的参数及其相应数字签名协议的安全水平.通过实例分析该签名协议的可行性,即协议过程是矩阵之间的运算,分析了协议的计算效率,计算了密钥量,用示意图表示了正确解密的概率.结果表明:该协议不仅能实现签名和加密,而且实现复杂度低、加解密效率高,具有抵抗量子计算的潜力,能够广泛应用于电子交易过程.     

量子K-近邻算法

为了提高经典K-近邻算法的效率,引入量子计算理论,将Grover算法中的Oracle算子以及相位估计算法嵌入经典K-近邻算法,提出一种量子K-近邻算法.该算法首先将样本点和待分类点的向量信息制备成量子叠加态,采用可逆的量子控制交换门并行计算待分类点和样本点的相似度,然后利用相位估计算法将相似度信息存储到量子比特中,最后使用Grover算法一次性搜索出最相似的k个点.对嵌入的量子计算部分的理论分析结果表明,量子K-近邻算法可以明显降低经典计算复杂度,且提出的算法在已有算法计算复杂度O(RkM)的基础上,再次带来了k值的二次加速O(RkM),其中R为Oracle算子的执行次数,M为样本全局个数.     

高效实现针对光子丢失问题的容错量子计算

基于两个基本操作——控制路径操作和纠缠子,首先给出非破坏性多光子奇偶校验的实现.随后,将这些操作用于光学量子计算中光子丢失问题的处理.可以实现奇偶量子态的制备,以及单体操作与两体控制非操作,由此可以实现普适容错量子计算.不管是态制备还是门操作都是确定性的,同时方案的实现复杂度也要远低于此前的方案,对于辅助单光子资源的需求也降到很低的程度.并且实现过程中除奇偶校验外,不需要进行任何单光子探测,因此不会造成任何单光子的损失,最大限度地利用了光子资源.比之此前的线性光学方案,我们方案的确定性、高效性、简单性以及资源的高利用率等特点,使得方案更具可行性和更加适用于大规模量子计算.     

腔中利用人工原子实现多量子比特相位门

在量子信息研究中,多量子比特相位门具有非常重要的意义。本文介绍了实现多量子比特相位门的两种模型,提出了一个利用腔中四能级超导人工原子实现多量子比特相位门的方案。该方案采用一个量子场和两个经典场控制各能级之间的跃迁,提高了多量子比特系统抵抗退相干的能力。     

利用超导量子干涉仪制备N比特团簇态（英文）

利用两个超导量子干涉仪与腔场的相互作用,提出一种实现标准两比特量子相位门的方案。利用构造的两比特相位门,还提出了一种制备N比特团簇态的方案。在此方案中,量子信息被编码在两个超导量子干涉仪的相对稳定的基态上。在两个超导量子干涉仪与单模腔场的相互作用过程中,由于超导量子干涉比特的激发态被绝热地消去,激发态所引起的消相干得到了有效的抑制。此外,还讨论方案的实验可行性。     

基于Paillier和PSI的多关键字可搜索加密方案

围绕多关键字的高效密文搜索和数据安全性保障问题,展开分析与研究,基于同态加密和私有集合交集技术,提出一种面向多关键字的高效的保护搜索模式的可搜索加密方案.该方案使用随机数填充和Paillier同态加密方法构造安全索引和陷门,保护了索引隐私和陷门隐私,进而保护了搜索模式;该方案通过私有集合交集技术进行连接多关键字搜索,搜索中只使用到了乘法和指数运算,与其他方案相比大大提高了效率;安全性和性能分析表明,该方案具有可搜索加密的语义安全性,可以高效地实现对密文的多关键字搜索,且具有良好的计算代价.     

基于身份的同态加密

目的提出一种格上的基于身份的同态加密方案。方法利用格上的LWE(learning with error)难题将身份信息加入参数的设置,选取加密所用的密钥,以LWE加密算法,身份加密算法以及同态加法的要求为基础。结果利用该密钥加密的输出结果满足同态加法,证明了方案的正确性和在适应性选择身份和选择明文攻击下(IND-ID-CPA)的安全性。结论方案可以抵抗量子计算的攻击,密钥短,便于密钥的管理,可以直接对加密信息进行处理。     

一种基于CKKS同态加密与神经网络的安全人脸识别方案

随着大数据技术的不断发展,人脸识别应用越来越广泛,但随之而来的是用户隐私数据泄露等安全问题.针对此,提出一种在云服务器下基于同态加密与神经网络的人脸识别方案.通过CKKS同态加密方案对人脸图像进行加密,在云服务器中通过ResNet50 Model与Arcface Loss函数对LFW数据集进行训练,计算加密图片之间的向量相关性,对密文结果解密并比较阈值判断是否为同一个人,实现人脸识别.实验结果表明,该方案在LFW数据集上,阈值大约为0.25时,密文中的识别准确率达到99.398%,证明本文方案具有较高的识别精度.     

联合噪声信道下基于部分纠缠信道的非定域Toffoli门远程实现

量子操控远程实现是量子通信重要任务之一,最近,基于量子纠缠信道的非定域量子门引起了广泛关注.基于不同信道提出了双量子比特控制非门,三量子比特Toffoli门远程实现方案.本文研究信道联合噪声下基于部分纠缠信道的三粒子非定域Toffoli门远程实现方案,提出了两个非最大纠缠信道下可克制信道联合噪声的非定域Toffoli门远程实现方案.一个方案用于联合退相位噪声下基于部分纠缠信道的非定域Toffoli门远程实现,另一个用于联合转动噪声下非定域Toffoli门远程实现.通信方先使用退相干无关子空间克制信道联合噪声影响,再通过引入附加粒子和执行联合幺正演化消除部分纠缠信道对非定域Toffoli门远程实现影响.通讯方仅需使用部分纠缠态来实现非定域量子门,与其他方案相比,具有可行性强的优点.     

确定性地实现非局域高维量子Toffoli门的网络设计与优化

本文提出确定性地实现非局域高维量子Toffoli门的操作方案.分别设计两个量子网络实现该非局域门.方案一是Eisert等人方案的高维推广.该方案的缺陷是需在靶端执行一个高维三体门.直接实现多体高维量子门,在目前的技术条件下仍存在一定的困难.在不改变网络功能的条件下,对方案一进行了优化.通过在靶端引入辅助的三维粒子(Qutrit),有效地降低了网络的复杂度.方案二的简单性及其对资源的有效利用等特点,使其在目前的实验条件下更具可行性和更加适用于大规模量子网络.