量子图态将成为安全多方计算的“新宠”
研究背景
安全多方计算是一种允许多个参与者在不泄露各自私密输入的情况下，共同计算一个函数的输出的技术。在互联网高度发展、数据成为重要生产要素的今天，安全多方计算在电子商务、金融交易、定制服务等多个场景发挥了重要作用。传统的安全多方计算问题基于数学难问题，面临着量子计算的威胁。量子安全多方计算利用量子力学原理进行信息传输和同态加密，可以实现无条件的安全通信。
当前的量子安全多方计算协议主要是将量子纠缠、单光子、量子傅里叶变换作为资源传递信息并进行计算，基于不同的资源，实现了各种各样的安全多方计算场景。量子图态原本是用于基于测量的量子计算模型，该模型与量子门电路模型是实现量子计算的两种途径，但量子图态的结构化特性也为其在量子通信领域发展提供了可能。基于此，来自北京理工大学的学者在 Entropy 期刊上发表了一篇题为“Quantum Secure Multi-Party Summation with Graph State”的论文，提出了一种基于图态的量子安全多方求和协议。该协议利用图态的随机结构和随机加密门操作进一步提供了多方求和的安全性；该协议利用图态的稳定子测量性质来检测窃听者和信道噪声，不需要使用诱饵比特；该协议还允许任意增加和删除参与者，提供了更大的灵活性。
图态的准备示意图，其形式由Y值而定。
研究过程与结果
图态是一种特殊的量子纠缠态，它可以用一个图来表示，其中每个顶点代表一个量子比特，每条边代表一对量子比特之间的纠缠。图态的一个重要性质是，它可以通过一系列稳定子算符来刻画，其中每个稳定子算符是一组量子比特的泡利算符的张量积。图态的稳定子算符具有两个作用，一是可以用来检测图态的纠缠是否被破坏，二是可以用来调整图态的结构。图态的另一个重要性质是，随机的采用Z门或者X门操作图态，不影响测量结果的同态性。
多方求和的过程。➀ 编码图态；➁ 安全求和；➂ 加密数据；➃ 解密数据；➄ 部分解密的数据。
基于图态的量子安全多方求和协议的主要思路是，每个参与者准备一个随机结构的量子图态，采用随机的门操作将私密信息编码到图态中，并将图态发送给第三方 (TP)；TP通过参与者公布的图态结构进行稳定子测量，以检测通信安全；TP通过图态的逆操作获得测量数据并进行同态求和；TP将求和结果随机发给一个参与者进行解密；每一个参与者根据自己的私密信息和加密方式进行解密，并随机发给下一个参与者解密；所有参与者解密后获得最终的求和结果。该协议的安全性分析表明，该协议可以抵抗任意的量子攻击，包括窃听者的攻击和不诚实参与者的攻击，而且不需要任何诱饵比特或者额外的量子通信。论文提供了实例说明和实验验证，帮助读者更好地了解协议的运行方式。
量子电路图案例；执行图态的反向运算和测量。
研究总结
基于图态的量子安全多方求和协议是一种新颖的量子密码学协议，它充分利用了图态的特性和优势，提供了更强的安全性，更高的效率，和更好的灵活性，为量子信息技术的发展和应用提供了一种新的思路和方法。基于量子图态技术，百万富翁问题、安全求交集问题、安全求曼哈顿距离问题等一系列安全多方计算问题可以更好地解决。
原文出自 Entropy 期刊
Lu, Y.; Ding, G. Quantum Secure Multi-Party Summation with Graph State. Entropy 2024, 26, 80. 10.3390/e26010080
主编：Kevin H. Knuth, University at Albany, USA
期刊主要发表熵和信息论的相关文章，涉及学科领域有：热力学、统计力学、信息论、生物物理学、天体物理学及宇宙学、量子信息和复杂体系等，当前位于 JCR 物理多学科二区。
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