SM4算法S盒的高效量子电路实现

近年来,对称密码的量子实现受到了广泛关注. SM4分组密码算法是我国首个商用密码标准,在2021年成为ISO/IEC国际标准. S盒作为SM4算法中最复杂的组件,其量子电路实现对整个SM4算法的量子电路有重大影响.本文依据SM4算法S盒的代数结构,使用塔域分解技术实现其量子电路.本文提出的SM4算法S盒的量子电路,基于NCT门集分析,需要的量子资源为20个量子比特、52个Toffoli门、196个CNOT门、13个X门, Toffoli深度为36;基于Clifford+T门集分析,需要量子资源为20个量子比特、334个T门、548个CNOT门、129个1qCliff门, T深度为108.与已有文献相比,本文提出的量子电路需要的量子资源更少.     

ηT配对的配对域F36m上的最优乘法算法

在基于配对的公钥密码学应用中, 配对的有效快速实现依赖于基域的扩域中乘法算法的有效快速的实现,特别是在η_T配对的实现中需要 F_3^6m中的快速乘法运算。作者提出了对偶插值算法, 其渐近复杂度为 11 次基域中 的乘法运算, 这达到了F_3^6m中乘法运算的理论下界。     

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.     

基于低Q腔的集体旋转无退相干子空间中的量子信息处理

基于低Q腔的单光子输入输出过程实现量子信息处理任务.将2个光子的极化态编码为1个逻辑量子比特,编码方式对于集体旋转噪声免疫.提出了实现原子和逻辑量子比特之间的混合控制相位翻转门,2个逻辑量子比特之间的CNOT门,逻辑量子比特的纠缠制备,原子到逻辑量子比特的量子态转移等方案.     

一类轻量级最优S盒的构造方法

S盒是对称密码算法中主要的非线性部件,其密码性质的好坏将直接影响到密码算法的整体安全性。给出了一类4比特最优S盒的构造方法,证明了此类最优S盒属于同一仿射等价类G₁,统计给出其差分、线性和代数次数等密码学性质,计算出此类S盒的硬件实现平均等效门数为25.6。在此基础上,通过带轮密钥的3轮MISTY结构和Feistel结构构造了一类8比特S盒,给出了结构最优性的定义,并给出8比特S盒达到结构最优性的一个充分条件。     

基于量子点-双边光学腔的两自由度并行非定域Toffoli门远程实现

三量子比特Toffoli门非定域远程实现在量子通讯网络、分布式量子计算中有重要应用.已有的Toffoli门非定域远程实现方案大都基于量子系统单一自由度,本文提出超纠缠信道下基于量子点-双边光学腔的两自由度并行非定域Toffoli门远程实现方案.通讯方Alice, Bob使手中光子依次进入量子点-双边光学腔,对光学腔中电子以及纠缠光子执行单粒子测量; Charlie依据纠缠光子单粒子测量结果,执行相应局域幺正操作和极化、路径自由度单粒子测量. Alice和Bob依据单粒子测量结果执行相应局域幺正变换即可完成两自由度并行非定域Toffoli门远程实现.方案以极化、路径两自由度超纠缠光子为量子纠缠信道,具有信道容量高、并行性强的优点.     

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.     

一些3-qubit门的合成以及在具有Ising相互作用的3自旋链上的实现

分别讨论了3-qubit SWAP门, Toffoli门, Fredkin门, 3-qubit Inversion-on-equality门和D(α)门的合成和它们在具有Ising相互作用3自旋链上的实现, 给出了实现这些门的脉冲漂移序列. 研究表明, 某些3-qubit门在环型自旋链的实现远优于在线型自旋链上的实现. 研究还表明衡量计算实现复杂性的两种标准并不完全一致. 跳过量子线路的合成, 直接探索多量子比特门乃至更复杂的量子信息工程部件的实现是值得进一步研究的课题.     

基于逻辑量子比特和控制非操作的鲁棒量子对话

本文利用逻辑量子比特和控制非(Controlled-Not,CNOT)操作提出两个分别抵抗集体退相位噪声和集体旋转噪声的鲁棒量子对话(Quantum Dialogue,QD)协议.制备方产生逻辑量子比特作为传输态以抵抗集体噪声.另一方借助于CNOT操作知道逻辑量子比特的初始制备态,并在制备方发送过来的一个经典信息序列的帮助下解码出制备方的秘密信息.制备方借助于量子安全直接通信读出另一方的秘密信息.这样,信息泄露风险被有效地避免.在所提出的协议中,只有单光子测量被需要用于量子测量.与之前的抗噪声QD协议相比,所提出的协议具有最高的信息论效率.与作者最近设计的需要将两个相邻的逻辑量子比特制备处于相同的量子态的QD协议相比,所提出的协议在实验上更加容易执行,因为它们没有这种特殊的要求.     

基于真值表演算的四量子电路综合方法

为了能以较小的代价高效地自动构造量子可逆逻辑电路,提出了一种新颖的四量子可逆逻辑综合方法.该方法首先将一个四量子电路的函数表示成真值表的形式;然后利用传统的递归思想,通过对换演算,将四量子电路映射函数的真值表分解成2块相互独立的三量子电路映射函数的真值表;再查找相应的最优三量子电路,直接生成相关电路;最后将对换运算的电路并入该电路,经过局部优化即可生成最终电路.分析结果表明,用该方法综合四量子电路能大幅减少TOF门的数量,平均需要15.74个TOF门,最多只需24个TOF门.同时该算法避免了穷举法所需的时空复杂度太大的问题,便于经典计算机实现.     

Grover算法的非定域实现

用核磁共振技术目前只能做到对7个量子比特的演示计算。为此有人提出"分布式量子计算机"的方案。该文考察Grover搜索算法非定域实现,分析为实现这种非定域操作所需的Einstein-Podolsky-Rosen(EPR)纠缠对资源。以2个量子比特为例,说明非定域实现Grover搜索的全过程,并推广到N个量子比特情况下非定域实现的资源需求情况。N为要搜索数据库的大小。结果表明,某些情况下,非定域Grover算法耗用比经典Grover算法更多个EPR对,甚至比经典计算机所用的资源还多,此时的非定域量子计算失去了量子计算的优势。     

基于旋转算子的非交互式量子同态加密方案

量子同态加密是量子密码学的一个重要分支,它可以直接对密文量子态进行计算,同时保证计算的正确性和数据的安全性.对量子门T进行量子同态加密会产生额外的相位门S,如果不消除该错误则不能得到正确的输出.使用量子门隐形传态可以非交互地消除相位门错误,但是增加了解密复杂度.本文利用旋转算子实现了T/T^?门的量子同态加密,提出了非交互式量子同态加密方案.该方案解密复杂度为O(1),加密复杂度为O(N),其中N是量子线路中量子门的数量.本文证明了该方案是信息论安全的以及能够实现对任意量子线路的量子同态加密,并且在IBM Quantum Experience上实现了对Toffoli门分解线路的量子同态加密.     

布尔函数量子计算的可行性

一个布尔函数是可行的,如果存在一个多项式布尔电路计算该函数。将经典0/1位联系到量子位,研究布尔函数的量子计算可行性,对应讨论酉算子的量子计算可行性——是否可以由多项式个基础量子门在多项式步内构造酉算子。由Toffoli量子门对经典逻辑电路门的通用表达能力,一个可行的布尔函数是量子计算可行的。基于此结论,给出几类量子计算可行的酉算子。     

利用耦合超导量子比特实现受控U门

运用两量子比特非局域操作的几何表示理论,提出了利用射频脉冲作用下的耦合超导量子比特构建受控逻辑门(受控U门)的一个理论方案,并进一步推导出在电容耦合和自感耦合系统中构建受控U门时,其哈密顿量中的拉比频率所需要满足的条件.最后通过两量子比特控制相位门的实现说明该方案的可行性.     

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.     

实现分布式量子受控的Hadamard门

提出了一个基于腔量子电动力学实现量子受控Hadamard门的方案,作为量子比特载体的电子自旋系统被放置在真空腔场中,两个量子比特之间的相互作用通过相干光脉冲作为量子通讯总线来实现.     

超导电荷量子比特研究综述

随着量子计算机以及量子算法的提出，人们开始寻找可以实现量子计算机的真实物理体系。超导量子电路以其丰富的可设计性和优良的易集成性成为最有潜力实现量子计算机的人造量子体系。文章介绍了超导电荷量子比特的基本原理、超导电荷量子比特的耦合以及耗散和退相干问题，展望了超导电荷量子比特在量子计算和量子信息科学中的应用前景。     

基于原子系综系统实现控制Hadamard门和制备多量子比特的W-type态

利用Rydberg阻滞机制,提出了实现基于原子系综系统的控制Hadamard门和制备n个量子比特W-type态的方案.该方案可以得到高保真度的n个量子比特W-type态,在量子信息处理方面具有可扩展性.     

基于种群协同进化算法的固定极性动态逻辑电路功耗优化

基于电路的动态逻辑实现形式,建立了固定极性XNOR/OR电路低功耗极性优化问题的数学模型;针对传统遗传算法(TGA)和量子算法(TQA)的优势和不足,借鉴合作型协同进化思想,提出了种群协同进化算法(PCEA).该算法包含主体种群和小规模的量子比特种群,采取两种群并行进化、统一评估和主体种群择优重组的进化策略.主体种群采...     

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。