量子LDPC码在BB84协议中的应用研究

针对BB84量子密钥分配协议中量子信道存在噪声,设计一种带有量子纠错码的改进的BB84协议模型,在模型中用量子低密度奇偶校验码（量子LDPC）作为纠错码对发送量子态进行编码。通过数值仿真,从密钥传输效率的角度分析量子纠错编码对BB84协议的影响。结果表明量子LDPC码能克服噪声,提高了密钥传输效率,验证了在含噪量子信道中改进的BB84协议模型的有效性。     

一种基于[7,1]CSS纠错码的量子密钥分配协议

量子密钥分配协议具有可证明的绝对安全性,但是由于量子信道噪声的作用,量子比特在传输过程中容易产生错误,从而降低量子密钥分配的效率。对此,根据量子纠错理论,利用Hamming码构造一种[7,1]CSS纠错码,并结合BB84协议,提出一种改进的量子密钥分配协议。通过理论分析与数值计算,对比改进协议与BB84协议在含噪声量子信道中的传输错误率,结果表明改进的量子密钥分配协议相比于BB84协议提高了对信道噪声的抵抗能力。     

基于纠缠的BB84协议仿真研究

将传统的量子密钥分发协议与纠缠光子对的纠缠特性相结合,提出了一种改进的BB84协议--基于纠缠的BB84协议.为了考察该协议的可行性,利用量子计算语言分别针对协议的正确性和安全性进行了仿真验证,并进一步考察衰落信道对协议工作的影响.仿真结果显示:理想情况下,协议安全工作时密钥生成效率为14/30,接近理论值50%;在存在第三方窃听时,其密钥生成效率仅为5/30,远远小于50%,由此通信双方可以判断出第三方窃听存在.由于信道衰落的影响,实际密钥生成效率远远低于理论值.得出结论:基于纠缠的BB84协议也是绝对安全可靠、切实可行的量子密钥分发协议;为提高密钥生成效率,应尽量减小信道衰落.最后,对协议的应用进行了展望.     

解析量子密钥分配中量子LDPC码的应用

将BB84密钥分配协议看做一个Wire-tap的信道模型,其主信道为二进制对称信道,比特翻转率为025ε,窃听信道是二进制删除信道,删除概率为1-ε.通过量子LDPC编码方式,BB84编写实现主信道的安全通信,同时对BB84协议的安全性进行证明.最后,对Wire-tap信道的安全容量进行计算,最终得到BB84协议下量子LDPC码的可容忍误码率.     

一种无线网络量子密钥分配协议

论文在BB84协议基础上提出了一个无线网络量子密钥协议,该协议利用一条具有回路的量子信道传送信息并设计一种新的编码方式,使光子利用效率达到100％,密钥分配效率是BB84量子密钥分配协议的两倍或更高,并且该协议不需要容易被攻击的经典信道,更适用于无线网络.该协议通过预共享密钥方法进行身份认证,避免了攻击者跳过身份认证直接发送密钥的弊端,采用消息摘要的方法验证消息是否被篡改或窃听,由于消息摘要使用了预共享密钥进行一次一密加密,攻击者无法篡改,从而保证安全.     

量子密钥分配协议仿真平台的研究与设计

量子密钥分配协议是目前信息安全方向的一大研究热点,物理实验已难以应付层出不穷的协议来证明它的安全性。通过仿真平台来验证协议的安全性,是最经济有效的做法。利用.NET开发平台、C#语言开发了一个量子密钥分配协议仿真平台,并对已有的BB84协议进行了仿真,得到了与理论结果一致的仿真结果。     

基于BB84协议的空间量子通信系统

我们分析了基于BB84协议的空间量子通信系统.该系统使用大气量子信道,以因特网为经典信道.讨论了光子与大气的相互作用,利用量子计算语言对大气信道中的量子密钥分配进行了仿真.将用于量子计算仿真的语言引入量子通信的研究中,讨论了单光子脉冲系统与纠缠光子对系统的特点,分析了全球量子通信系统的可行性.     

基于BB84的多用户量子密钥分发协议

BB84协议是目前最接近实用化的量子密钥分发(QKD)协议。点对点的量子密钥分发系统已经可以商用,但现有的多用户量子密钥分发协议都是采用量子纠缠、量子存储等技术手段进行密钥分发,在现有的技术条件下只能停留在理论阶段,离工程应用还有较长的距离。该文提出了一种基于BB84的多用户量子密钥分发协议,将计算机通信技术应用到量子保密通信中,实现一对多的量子通信网络的量子密钥分发,并从理论和实验结果两方面分析其可行性。     

BB84量子密钥分配协议在专网中的应用

依据专用网络的特点,对BB84量子密钥分配协议做了改进,提出一种适用于专用网络的BB84-PN协议。该协议通过身份认证和量子物理特性,提高了安全性。同时,在通信过程中通过协商传输量子密钥规则,有效地提高了传输效率。     

基于BB84与椭圆曲线的数字签名方案

利用BB84协议在量子密钥分配过程中的安全性与椭圆曲线加密体制在经典加密算法中的优越性相结合，提出了一种基于BB84协议和椭圆曲线的数字签名方案，该方案利用量子密钥作为会话密钥从而使得签名过程高效、简易，此会话密钥在密钥分配过程中具备的可证明安全性与椭圆曲线加密体制的安全性相结合对该数字签名方案提供了双重安全保护，同时可以达到互相认证的效果。     

Quantum secure circuit evaluation

In order to solve the problem of classical secure circuit evaluation, this paper proposes a quantum approach. In this approach, the method of inserting redundant entangled particles and quantum signature has been employed to strengthen the security of the system. Theoretical analysis shows that our solution is secure against classical and quantum attacks.     

基于Hash表的量子可逆逻辑电路综合的快速算法

量子可逆逻辑电路是构建量子计算机的基本单元,通过量子门的级联与组合构成量子计算机,量子可逆逻辑电路的综合就是根据电路功能,以较小的量子代价自动构造量子可逆逻辑电路.结合可逆逻辑电路综合的多种算法,提出了一种新颖高效的量子电路综合算法,巧妙构造最小完备的Hash函数,可使用多种量子门,采用任意量子代价标准,以极高的效率生成最优的量子可逆逻辑电路.为实现量子电路综合的自动化,首次提出了利用量子线的置换自动构造各种量子门库的通用算法.采用国际同行认可的3变量可逆函数测试标准,该算法不仅能够生成全部最优电路.而且运行速度远远超过其他算法·实验结果表明,该算法按最小长度、最小代价标准综合电路的平均速度分别是目前最好结果的49.15倍、365.13倍.     

Qsimulation:一个量子计算模拟器工具

介绍一个可在经典计算机上模拟量子计算的工具Qsimulation。该工具由4个主要部分组成：一个命令式的量子编程语言,一个量子计算解释器,一个用于模拟量子程序执行的图形用户界面以及错误处理模块,它能帮助教师和新手设计并测试简单的量子电路和量子程序。     

一维量子卷积计算

研究了一维信息编码为量子态后进行量子卷积计算的量子线路模型。基于量子图像表示和经典信息的卷积算法,设计出了一维量子卷积计算的量子线路结构,表明量子卷积计算可以以[O(n2)]的复杂度计算卷积。与经典卷积相比,量子卷积计算由于利用量子并行计算在计算速率上达到了指数级的加速,为量子卷积神经网络卷积层的设计实施作铺垫。     

QAOA最大切割问题的类Dijkstra优化及实现

最大切割问题是可以用量子近似优化算法（QAOA）来解决的典型问题,Ansatz线路构造为该算法的重要组成部分。为了减少多种图结构在QAOA中的构造代价和提高其稳定性,从线路的可优化性出发进行分析,结合 Dijkstra算法的点边存放特点,提出了该线路的类Dijkstra优化算法,并将其应用于QAOA最大切割问题。使用qiskit量子框架来模拟优化算法的正确性,并用IBM Quantum composer的真实环境进行对比实验来验证优化的稳定性。与未优化的线路相比,此优化算法下的CNOT门能减少约40%左右,其稳定性也得到了明显的提高。结果表明类Dijkstra优化算法可以适用于QAOA最大切割问题的多种图结构优化。     

量子计算模拟及优化方法综述

在处理某些大规模并行问题时,量子计算因量子位独特的叠加态和纠缠态特性,相比经典计算机在并行处理方面具有更明显的优势。现阶段,物理量子比特计算机受限于可扩展性、相干时间和量子门操作精度,在经典计算机上开展量子计算模拟成为研究量子优越性和量子算法的有效途径。然而,随着量子比特数的增加,模拟所需的计算机资源呈指数增长。因此,研究大规模量子计算模拟在保证计算准确度、精度及效率的情况下减少模拟所需资源具有重要意义。从量子比特、量子门、量子线路、量子操作系统等方面展开,阐述量子计算的基本原理和背景知识。同时总结基于经典计算机的量子计算模拟基本方法,分析不同方法的设计思路和优缺点,列举目前常见的量子计算模拟器。在此基础上,针对量子计算模拟的通信开销问题,从节点拆分和通信优化2个方面出发,讨论基于超级计算机集群的量子计算模拟优化方法。     

基于控制K次平方根非门的类Toffoli门构造方法

在量子电路综合算法中,由于非置换量子门比置换量子门具有更复杂的规则,直接使用非置换量子门会大幅度提高综合算法的复杂性,因此可先使用非置换量子门生成相应的置换量子门,然后再用这些置换量子门综合所求量子可逆逻辑电路,从而提高算法性能。本文重点研究如何用非置换量子门构造新的置换量子门,为此吸收了格雷码的思想,提出了一种高效的递归构造方法,实现使用控制非门和控制K次平方根非门(非置换量子门),快速生成最优的类Toffoli门(置换量子门)。     

基于量子门线路的量子神经网络模型及算法

提出一种量子神经网络模型及算法.该模型为一组量子门线路.输入信息用量子位表示,经量子旋转门进行相位旋转后作为控制位,控制隐层量子位的翻转;隐层量子位经量子旋转门进行相位旋转后作为控制位,控制输出层量子位的翻转.以输出层量子位中激发态的概率幅作为网络输出,基于梯度下降法构造了该模型的学习算法.仿真结果表明,该模型及算法在收敛能力和鲁棒性方面均优于普通BP网络.     

量子线路模拟器QuEST在多GPU平台上的性能优化

在当前量子计算的研究中,量子线路模拟器作为重要的研究工具,一直受到研究者们的高度重视。QuEST是一款开源的通用量子线路模拟器,能在单个CPU结点、多个CPU结点和单个GPU等多种测试平台上灵活运行。量子线路模拟固有的并行性使其非常适合在GPU上运行,并能获得较大的性能加速。但是其缺点在于所消耗的内存空间巨大,单个GPU受显存容量限制,无法模拟具有更多量子位的量子系统。设计并实现了多GPU版本的QuEST模拟器,解决了单个GPU显存不足的问题,能够使用多个GPU模拟更多的量子位。而且,与单CPU版本相比可获得7~9倍的性能加速,与多CPU版本相比可获得3倍的性能加速。