量子安全多方计算协议研究进展

量子安全多方计算是量子信息技术与隐私保护计算技术相结合形成的新兴交叉领域,作为量子密码学的一个重要分支,在安全性、计算效率等方面有着经典安全多方计算所不能及的优点。量子安全多方求和(Quantum Secure Multi-party Summation,QSMS)作为量子安全多方计算的一个最基本运算过程,近年来获得了广泛的关注。本文梳理了近期QSMS协议的研究进展,根据协议所依据的基本原理进行了分类,并介绍了一些代表性协议的基本原理和典型特点。

基于量子中心的测量型量子保密求和协议

量子保密求和是量子安全计算的基础,目的是在保护参与者私有信息的前提下求出参与者秘密信息的和。提出一个基于GHZ类态的三方量子保密求和协议,其中只有量子中心拥有全量子能力,其余参与者只能对接收的量子态进行反射或测量。理论分析表明,所提出的协议可以确保正确性,即多个参与者最后可以成功计算他们秘密的和;同时,该协议还可以抵抗参与者攻击和外部攻击,即无论是外部攻击者还是内部参与者都不能获得除自己的秘密与结果之外的任何信息。最后,进一步讨论了如何将协议的参与者由三方拓展至多方。

高效的安全多方半量子求和协议

安全多方半量子求和(SMSQS)是指多个互不信任且资源受限的参与方,借助量子第三方(TP)的帮助联合计算出他们私有秘密之和,其求和结果可以根据实际应用场景来设计是否公开,但是协议需确保参与者输入的隐私性和计算结果的正确性.本文提出一种第三方TP只需制备单量子比特就可对多个资源受限的参与方进行秘密求和的协议.协议中参与方无论执行直接返回操作或者执行测量返回操作,协议都可以对参与方的秘密进行求和计算,从而提高协议中量子比特的使用效率.其次基于一种d维的量子叠加态给出将参与方秘密数值的维度扩展到高维的SMSQS协议,并通过数学证明和具体实例验证其协议的正确性.通过对所提出的协议进行安全性分析可知它们能够防范拦击重发攻击、测量重发攻击、双CNOT门攻击和TP攻击等典型的攻击行为.

基于纠缠交换的量子安全多方求和

提出了一个基于纠缠交换的量子安全多方求和协议,该协议允许多个参与方安全地计算其秘密数据的和.在该协议中,引入了一个半可信的第三方来帮助这些相互不信任的参与方实现这个安全任务.利用d级cat态和Bell态的纠缠交换,在参与者和半可信第三方之间安全地传输信息.最后,安全分析表明该协议对几种常见攻击的安全性,在理论上是安全的.

基于Bell态的量子安全多方求和

利用纠缠交换中结果态和初始态之间存在的关系,提出一个基于Bell态的高效量子安全多方求和协议。该协议中,一个半可信第三方负责制备Bell态作为信号载体,并将这些载体粒子分发给参与者。随后,参与者根据其私密数据选择相应的局域幺正算子,对载体粒子进行编码操作。最后,参与者对其手中的粒子进行Bell基测量,半可信第三方就可以利用粒子初态和测量结果计算出求和结果。对协议中常见的外部和内部攻击的安全性分析表明所提协议在理论上是安全的。

基于量子求和的安全多方量子排序协议

安全多方排序问题是保护用户隐私的安全多方计算中最为重要的核心问题之一。针对传统多方排序安全性低、易被窃取的问题,提出了一种在半诚实模型下的安全多方量子排序协议,该协议中各方基于量子傅立叶变换求和的方式参与计算,在保密数值不被泄露的基础上获取排名。通过IBM提供的量子计算模拟器,对协议的正确性进行了实验验证,并对协议的安全性进行了理论分析。协议不仅为现有的量子排序提供了新思路,而且很好地兼顾了公平性、有效性以及安全性。

一种基于局域不可区分正交直积态的新型量子保密求和协议

量子保密求和是量子安全计算的基础,目的是在保护参与者私有信息的前提下求出参与者秘密信息的和。提出了一种新型的量子保密求和协议,即以两体量子系统中的局域不可区分正交直积态作为载体,利用移位操作将秘密编码在正交直积态上,进而完成秘密求和。理论分析表明,本文所提出的协议可以确保正确性,即多个参与者最后可以成功计算出他们秘密的和。同时,协议的安全性可以得到保障,即无论是外部攻击者还是内部参与者都不能获得除自己的秘密与结果之外的任何信息。最后,对协议进行了进一步的分析和讨论,并对可能的研究方向进行了展望。

基于圆上单向量子游走的量子安全多方求和协议

本文提出一种新颖的基于圆上单向量子游走(One-Direction Quantum Walks on a Circle,ODQWC)的量子安全多方求和协议,以环形方式传输量子游走态,在不泄密的前提下实现n位秘密持有者的不同整数序列的求和.本文协议采用两粒子乘积态而非量子纠缠态作为初始量子资源,仅要求不同秘密持有者对量子游走态施加单向演化算子,但不需要她们进行量子纠缠交换操作.另外,该协议仅需要进行单粒子测量.安全性分析表明,该协议可以抵抗外部攻击和参与者攻击,在特定条件下可转化为基于ODQWC的量子安全多方比特求和协议.

基于d级量子系统相互无偏基的量子安全多方求和及其应用

本文提出一种新颖的基于d级量子系统相互无偏基的量子安全多方求和协议.n个秘密持有者通过变换操作将自己的秘密编码在相互无偏基量子态上,以环形模式将其进行传输.安全性分析表明,所提出的协议能抵抗外在攻击和参与者攻击.本文协议适用于d级量子系统,采用整数加整数技术计算模d和,相比于采用比特加比特计算的量子安全求和协议,会具有更高的计算效率;相比于求和模较小的量子安全求和协议,会具有更广泛的应用.而且,这个协议能被用于量子多方隐私比较和量子多方匿名投票.