面向量子通信安全的半量子密码和盲量子计算研究

Semiquantum cryptography (SQC) can make a participant who owns limited quantum power to accomplish cryptographic tasks with that who has powerful quantum capability, and blind quantum computation (BQC) can allow a client who does not have enough quantum resources to achieve quantum computation through a quantum server. Both two technologies can still ensure secure communication for private data even if resource or power requirements for users are reduced. They will facilitate to enlarge the usage scope of quantum cryptography and quantum computation. In order to make SQC and BQC be more practicable, three aspects of both two topics will be investigated in this project. Firstly, we will apply the idea of semiquantum key distribution and semiquantum secret sharing to other more quantum cryptographic topics, such quantum encryption and quantum signature. Secondly, we will study multi-party BQC and mainly endeavor to extend single-server BQC to multi-server BQC since a single sever is easy to become the bottleneck when large number of clients want to implement quantum computation at the same time. Finally, we will attempt to design more efficient and secure SQC or BQC protocols by combining the features of them, especially through merging some ideas and methods in both kinds of protocols. Their security performance will be analyzed for better withstanding quantum attacks. Settlement of these three issues will be quite helpful for the application of quantum cryptography and quantum computation in reality, and also provide significant technical support for future secure quantum communication in cloud environments.

半量子密码和盲量子计算考虑的均是具备有限量子资源的用户如何借助拥有强大量子能力的通信参与方完成量子密码或量子计算任务。这两项技术比通常的量子密码或量子计算降低了对用户量子资源或能力的要求但仍能保证隐私数据的安全，有助于扩大它们的使用范围。为使它们更具实际可行性，本项目拟从如下三个方面进行研究：1）将目前主要局限于量子密钥分配和量子秘密共享的半量子化思想推广到更多的量子密码问题，例如量子加密和量子签名等；2）研究多方盲量子计算问题，主要将容易引发瓶颈问题的单服务器盲量子计算协议扩展到更一般的多服务器协议；3）综合半量子密码协议和盲量子计算协议各自的特点，特别是将它们当中的一些思想和方法进行交叉融合以设计更高效安全的协议，并分析其安全性以更好地抵抗量子攻击。研究成果有望进一步促进量子密码和量子计算在实际中的应用，并为将来云环境下的量子通信安全提供重要的技术支撑。

半量子密码和盲量子计算这两个方向都是考虑量子资源受限的普通用户如何通过强大的量子服务器来完成量子密码或量子计算任务。它们都降低了对用户资源或能力的要求，从而可以扩大量子密码和量子计算的使用范围。本项目主要对这两个方向及其相关的问题进行了研究并主要取得了如下六个方面的成果：1）将设备独立的思想与半量子密钥分配协议结合提出了与测量设备独立的半量子密钥分配协议；2）将半量子秘密共享中参与方的量子能力进一步降低以提出更高效的方案；3）把半量子密码当中的认证思想应用盲量子计算当中首次提出基于认证的盲量子计算方法；4）改善了原有盲量子计算协议中的可验证方法从而提高验证的效率，并将此验证方法扩展到资源态为超图态的情况；5）将盲量子计算的思想应用到安全两方量子计算当中从而改善原有安全两方量子计算协议的效率并降低了用户的能力要求；6）考虑了量子保密查询和量子隐私计算等相关的量子密码问题，例如对一些典型的量子保密查询方法中的安全问题进行了改进和对基于GHZ态的集合交集与并集的基数进行量子隐私计算等。所取得的这些研究成果丰富了半量子密码和盲量子计算这两个方向的内涵，并为量子密码的应用、经典密码思想的延伸以及量子计算范围的扩大都起到了较好的推动作用，有助于量子密码、经典密码和量子计算等方面的交叉融合，并为将来量子云服务环境下用户获得量子服务器所带来的优势搭建了较好的桥梁。