專利名稱：量子公鑰加密系統(tǒng)、密鑰產(chǎn)生方法、加密方法和解密方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種量子公鑰加密系統(tǒng)、密鑰產(chǎn)生裝置、加密裝置、解密裝置、密鑰產(chǎn) 生方法、加密方法和解密方法。
背景技術(shù)：
隨著信息處理技術(shù)和通信技術(shù)的迅速發(fā)展，不管公用還是私用，文檔的數(shù)字化正 在迅速進(jìn)行。因此，很多個(gè)人和公司對(duì)電子文檔的安全管理非常感興趣。隨著興趣的增加， 在很多領(lǐng)域中正在熱烈地討論針對(duì)篡改(諸如，偷聽和偽造)的安全性。例如，通過(guò)對(duì)電子 文檔加密確保防止電子文檔的偷聽的安全性。此外，例如，通過(guò)使用數(shù)字簽名確保防止電子 文檔的偽造的安全性。然而，加密和數(shù)字簽名必須充分地防篡改。當(dāng)前廣泛使用的公鑰加密采用經(jīng)典計(jì)算機(jī)的計(jì)算復(fù)雜度作為安全性的基底。例 如，RSA加密采用“大合數(shù)的質(zhì)因數(shù)分解(以下稱為質(zhì)因數(shù)分解問(wèn)題)的困難度”作為安全 性的基底。此外，DSA加密和EWamal加密采用“求解離散對(duì)數(shù)問(wèn)題的困難度”作為安全性 的基底。然而，量子計(jì)算機(jī)據(jù)稱能夠高效計(jì)算質(zhì)因數(shù)分解問(wèn)題和離散對(duì)數(shù)問(wèn)題的解。也就 是說(shuō)，一旦實(shí)現(xiàn)了量子計(jì)算機(jī)，就無(wú)法保證當(dāng)前廣泛使用的上述加密的安全性。另外，使用措辭“經(jīng)典”的意義是不是“量子”。此外，措辭“量子”意味著基于量 子力學(xué)的原理或量子力學(xué)的原理的應(yīng)用。例如，量子計(jì)算機(jī)是采用量子力學(xué)的疊加原理的 計(jì)算器。此外，量子密鑰分配方案(諸如，BB84)使用量子力學(xué)的不確定性原理。針對(duì)這種情況的背景，積極進(jìn)行了針對(duì)即使實(shí)現(xiàn)了量子計(jì)算機(jī)也能夠保證安全性 的公鑰密碼系統(tǒng)的研究。這些研究的一個(gè)方向是通過(guò)采用即使當(dāng)使用量子計(jì)算機(jī)時(shí)也難 以高效計(jì)算的問(wèn)題(例如，求解多元多項(xiàng)式的困難度)作為安全性的基底，在經(jīng)典通信信 道中實(shí)現(xiàn)公鑰密碼系統(tǒng)。此外，另一方向是通過(guò)使用量子通信信道和量子計(jì)算實(shí)現(xiàn)保證 針對(duì)使用量子計(jì)算機(jī)的攻擊的安全性的量子公鑰密碼系統(tǒng)。例如，T. Okamoto, K. Tanaka, S. Uchiyama^"Quantum Public KeyCryptosystems"(Proc. Of CRYTPTO 2000,LNCS 1880, pp. 147-pp. 165，Springer-Verlag (2000)),日本專利 No. 3615132 和 JP-A-2008-294666 公 開了與量子公鑰密碼系統(tǒng)相關(guān)的研究發(fā)現(xiàn)的例子。由Okamoto等人和日本專利No. 3615132公開的量子公鑰密碼系統(tǒng)采用作為背包 (knapsack)問(wèn)題的特殊情況的子集和問(wèn)題的計(jì)算復(fù)雜度作為安全性的基底。這個(gè)子集和 問(wèn)題是確定“是否能夠從給定的η個(gè)整數(shù)％，...，％中適當(dāng)選擇子集并且能夠使屬于該子 集的數(shù)之和等于給定數(shù)N”的問(wèn)題。這個(gè)子集和問(wèn)題屬于計(jì)算類NP完全(NP-complete)。 然而，通過(guò)使用量子計(jì)算機(jī)求解該子集和問(wèn)題是否極為困難并非不證自明。因此，很難說(shuō)由 Okamoto等人和日本專利No. 3615132公開的量子公鑰密碼系統(tǒng)對(duì)于使用量子計(jì)算機(jī)的攻 擊是絕對(duì)安全的。另外，由日本專利No. 3615132公開的量子公鑰密碼系統(tǒng)使用量子狀態(tài)作為公鑰。 因此，當(dāng)使用由日本專利No. 3615132公開的量子公鑰密碼系統(tǒng)時(shí)，出現(xiàn)如下問(wèn)題。通常，由 公鑰密碼系統(tǒng)使用的公鑰由認(rèn)證機(jī)構(gòu)認(rèn)證。如果公鑰是經(jīng)典描述的信息(以下稱為經(jīng)典信息)，則不能檢驗(yàn)公鑰是否由認(rèn)證機(jī)構(gòu)明確地認(rèn)證。然而，是否可以檢驗(yàn)由量子狀態(tài)代表的 公鑰(以下稱為量子公鑰)的認(rèn)證/非認(rèn)證并非是不證自明的。例如，量子狀態(tài)根據(jù)測(cè)量 而改變，因此當(dāng)檢驗(yàn)量子公鑰的認(rèn)證/非認(rèn)證時(shí)，存在這樣的可能性量子公鑰作為公鑰變 得無(wú)用。另一方面，由JP-A-2008494666公開的量子公鑰密碼系統(tǒng)使用組合了量子狀態(tài) 和經(jīng)典信息的混合型公鑰(以下稱為混合公鑰)?；旌瞎€包括經(jīng)典信息部分。因此，通過(guò) 使用經(jīng)典信息部分執(zhí)行認(rèn)證并通過(guò)使用經(jīng)典信息部分檢驗(yàn)認(rèn)證/非認(rèn)證，能夠?qū)崿F(xiàn)在不擾 亂量子狀態(tài)的情況下檢驗(yàn)認(rèn)證/非認(rèn)證。當(dāng)然，不對(duì)量子狀態(tài)執(zhí)行檢驗(yàn)。然而，如果量子狀 態(tài)被以某種方式改變，則將會(huì)存在與已檢驗(yàn)的經(jīng)典信息的不一致，因此，使用混合公鑰的加 密或使用私鑰的解密將會(huì)失敗。因此，事實(shí)上，不對(duì)量子狀態(tài)執(zhí)行檢驗(yàn)將不是問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
然而，由JP-A-2008494666公開的混合公鑰有些缺少便利性。如上所述，混合公 鑰由經(jīng)典信息和量子狀態(tài)的組合形成。也就是說(shuō)，各量子狀態(tài)的密鑰分別對(duì)應(yīng)于分配的各 條經(jīng)典信息。因此，密鑰產(chǎn)生的成本增加。此外，當(dāng)解密處理完成時(shí)確定加密/解密的成功 或失敗，因此在加密/解密失敗的情況下，由于在解密處理完成之前執(zhí)行的不必要的通信 導(dǎo)致效率降低。由于上述原因，希望提供一種機(jī)制，通過(guò)該機(jī)制，保證針對(duì)量子計(jì)算機(jī)的攻 擊的安全性，可以進(jìn)行公鑰的認(rèn)證，并且能夠避免量子公鑰密碼系統(tǒng)中加密/解密處理的 低效率?？紤]到以上情況，期望提供一種新的改進(jìn)的能夠?qū)崿F(xiàn)更安全更方便的量子公鑰密 碼系統(tǒng)的量子公鑰加密系統(tǒng)、密鑰產(chǎn)生裝置、加密裝置、解密裝置、密鑰產(chǎn)生方法、加密方法 和解密方法。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，提供了一種量子公鑰加密系統(tǒng)，包括第一量子信息處理裝 置；第二量子信息處理裝置，通過(guò)量子通信信道連接到第一量子信息處理裝置；和認(rèn)證機(jī) 構(gòu)，通過(guò)經(jīng)典通信信道連接到第一量子信息處理裝置和第二量子信息處理裝置。第一量子 信息處理裝置包括密鑰產(chǎn)生單元，產(chǎn)生公鑰和私鑰；第一經(jīng)典發(fā)送單元，通過(guò)所述經(jīng)典通 信信道把由密鑰產(chǎn)生單元產(chǎn)生的公鑰發(fā)送給認(rèn)證機(jī)構(gòu)；第一量子接收單元，接收從第二量 子信息處理裝置通過(guò)所述量子通信信道發(fā)送的加密的量子狀態(tài)；和解密單元，通過(guò)使用由 密鑰產(chǎn)生單元產(chǎn)生的私鑰，從由第一量子接收單元接收的所述加密的量子狀態(tài)恢復(fù)原始量 子狀態(tài)。認(rèn)證機(jī)構(gòu)包括第一經(jīng)典接收單元，接收從第一量子信息處理裝置通過(guò)所述經(jīng)典 通信信道發(fā)送的公鑰；認(rèn)證單元，對(duì)由第一經(jīng)典接收單元接收的公鑰進(jìn)行認(rèn)證；和第二經(jīng) 典發(fā)送單元，通過(guò)所述經(jīng)典通信信道把由認(rèn)證單元認(rèn)證的公鑰發(fā)送給第二量子信息處理裝 置。第二量子信息處理裝置包括第二經(jīng)典接收單元，接收從認(rèn)證機(jī)構(gòu)通過(guò)所述經(jīng)典通信信 道發(fā)送的公鑰；加密單元，通過(guò)使用由第二經(jīng)典接收單元接收的公鑰對(duì)量子狀態(tài)進(jìn)行加密； 和量子發(fā)送單元，通過(guò)所述量子通信信道把由加密單元加密的量子狀態(tài)發(fā)送給第一量子信 息處理裝置。所述密鑰產(chǎn)生單元可包括隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器，產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)；量子程序產(chǎn)生單元，基于 通過(guò)使用隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)，產(chǎn)生分別與對(duì)應(yīng)于η量子位的m種類型的么正運(yùn)算 UiG = 1至m)以及對(duì)應(yīng)于m量子位的兩種類型的么正運(yùn)算L和R對(duì)應(yīng)的量子程序UpL和R ；量子程序控制使能單元，產(chǎn)生量子程序CU，該量子程序CU的控制被使能從而使得根據(jù)m 量子位的輸入狀態(tài)控制量子程序Ui的操作；量子程序附加單元，通過(guò)把量子程序L和R附 加到量子程序CU產(chǎn)生量子程序G ；量子程序模糊化單元，通過(guò)使量子程序G模糊化產(chǎn)生與 所述公鑰對(duì)應(yīng)的量子程序P ；逆量子程序產(chǎn)生單元，產(chǎn)生與對(duì)應(yīng)于量子程序CU的么正運(yùn)算 ⑶的厄密共軛ClJhi應(yīng)的量子程序Clf、以及與所述么正運(yùn)算R的復(fù)共軛對(duì)應(yīng)的量子 程序R* ；和量子程序連接單元，通過(guò)連接量子程序CUi和量子程序R*產(chǎn)生與所述私鑰對(duì) 應(yīng)的量子程序S。所述加密單元可由量子計(jì)算機(jī)構(gòu)成。所述加密單元可通過(guò)產(chǎn)生ail量子位的最大 糾纏態(tài)并把所述ail量子位的最大糾纏態(tài)中的m量子位的量子狀態(tài)和要發(fā)送的η量子位的 量子狀態(tài)I Ψη >輸入到與所述公鑰對(duì)應(yīng)的量子程序P，來(lái)計(jì)算所述加密的量子狀態(tài)。所述解密單元可由量子計(jì)算機(jī)構(gòu)成。所述解密單元可通過(guò)把所述加密的量子狀態(tài) 輸入到與所述私鑰對(duì)應(yīng)的量子程序S，來(lái)計(jì)算原始量子狀態(tài)ι Ψη >。所述加密單元可通過(guò)產(chǎn)生ail量子位的最大糾纏態(tài)、保持所述ail量子位的最大糾 纏態(tài)之中的m量子位的量子狀態(tài)并把其余m量子位的量子狀態(tài)與量子狀態(tài)I Ψη >—起輸 入到量子程序P并且把所保持的m量子位的量子狀態(tài)加到與量子狀態(tài)I Ψη >對(duì)應(yīng)的量子 程序P的輸出，來(lái)計(jì)算所述加密的量子狀態(tài)。所述量子程序模糊化單元可通過(guò)用具有與對(duì)應(yīng)于量子程序G的么正運(yùn)算相同的 計(jì)算內(nèi)容的另一量子程序G’替換量子程序G，使量子程序G模糊化。所述量子程序模糊化單元可通過(guò)用具有與形成量子程序G的一部分的部分量子 程序g相同的計(jì)算內(nèi)容的另一量子程序g’替換部分量子程序g，使量子程序G模糊化。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，提供了一種密鑰產(chǎn)生裝置，包括隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器，產(chǎn)生 隨機(jī)數(shù)；量子程序產(chǎn)生單元，基于通過(guò)使用隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)，產(chǎn)生分別與對(duì)應(yīng)于 η量子位的m種類型的么正運(yùn)算UiG = 1至m)以及對(duì)應(yīng)于m量子位的兩種類型的么正運(yùn) 算L和R對(duì)應(yīng)的量子程序U”L和R ；量子程序控制使能單元，產(chǎn)生量子程序CU，該量子程序 CU的控制被使能從而使得根據(jù)m量子位的輸入狀態(tài)控制量子程序Ui的操作；量子程序附加 單元，通過(guò)把量子程序L和R附加到量子程序CU產(chǎn)生量子程序G ；量子程序模糊化單元，通 過(guò)使量子程序G模糊化產(chǎn)生與公鑰對(duì)應(yīng)的量子程序P ；逆量子程序產(chǎn)生單元，產(chǎn)生與對(duì)應(yīng)于 量子程序⑶的么正運(yùn)算⑶的厄密共軛ClJhi應(yīng)的量子程序Clf、以及與所述么正運(yùn)算R 的復(fù)共軛R *對(duì)應(yīng)的量子程序R * ；和量子程序連接單元，通過(guò)連接量子程序CU、n量子程 序R *產(chǎn)生與私鑰對(duì)應(yīng)的量子程序S。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，提供了一種加密裝置，包括公鑰保持單元，保持由密 鑰產(chǎn)生裝置產(chǎn)生的與公鑰對(duì)應(yīng)的量子程序P ；糾纏態(tài)產(chǎn)生單元，通過(guò)使用量子計(jì)算機(jī)產(chǎn)生 an量子位的最大糾纏態(tài)；和加密單元，通過(guò)使用量子計(jì)算機(jī)，通過(guò)把由糾纏態(tài)產(chǎn)生單元產(chǎn) 生的最大糾纏態(tài)的一部分和要發(fā)送的η量子位的量子狀態(tài)輸入到與所述公鑰對(duì)應(yīng)的量子 程序P，計(jì)算加密的量子狀態(tài)，該密鑰產(chǎn)生裝置包括隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器，產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)；量子程序 產(chǎn)生單元，基于通過(guò)使用隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)，產(chǎn)生分別與對(duì)應(yīng)于η量子位的m種類 型的么正運(yùn)算= 1至m)以及對(duì)應(yīng)于m量子位的兩種類型的么正運(yùn)算L和R對(duì)應(yīng)的量 子程序U” L和R ；量子程序控制使能單元，產(chǎn)生量子程序CU，該量子程序CU的控制被使能 從而使得根據(jù)m量子位的輸入狀態(tài)控制量子程序Ui的操作；量子程序附加單元，通過(guò)把量子程序L和R附加到量子程序CU產(chǎn)生量子程序G ；和量子程序模糊化單元，通過(guò)使量子程 序G模糊化產(chǎn)生與所述公鑰對(duì)應(yīng)的量子程序P。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，提供了一種解密裝置，包括私鑰保持單元，保持由密 鑰產(chǎn)生裝置產(chǎn)生的與私鑰對(duì)應(yīng)的量子程序S ；和解密單元，通過(guò)使用量子計(jì)算機(jī)，通過(guò)把使 用與所述公鑰對(duì)應(yīng)的量子程序P產(chǎn)生的加密的量子狀態(tài)輸入到與所述私鑰對(duì)應(yīng)的量子程 序S，計(jì)算原始量子狀態(tài)，該密鑰產(chǎn)生裝置包括隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器，產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)；量子程序產(chǎn)生 單元，基于通過(guò)使用隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)，產(chǎn)生分別與對(duì)應(yīng)于η量子位的m種類型的 幺正運(yùn)算^(1 = 1至m)以及對(duì)應(yīng)于m量子位的兩種類型的么正運(yùn)算L和R對(duì)應(yīng)的量子程 序U” L和R ；量子程序控制使能單元，產(chǎn)生量子程序CU，該量子程序CU的控制被使能從而 使得根據(jù)m量子位的輸入狀態(tài)控制量子程序Ui的操作；量子程序附加單元，通過(guò)把量子程 序L和R附加到量子程序CU產(chǎn)生量子程序G ；量子程序模糊化單元，通過(guò)使量子程序G模 糊化產(chǎn)生與公鑰對(duì)應(yīng)的量子程序P;逆量子程序產(chǎn)生單元，產(chǎn)生與對(duì)應(yīng)于量子程序CU的幺 正運(yùn)算⑶的厄密共軛ClJhi應(yīng)的量子程序Clf、以及與所述么正運(yùn)算R的復(fù)共軛對(duì)應(yīng) 的量子程序R * ；和量子程序連接單元，通過(guò)連接量子程序CUi和量子程序R *產(chǎn)生與所述 私鑰對(duì)應(yīng)的量子程序S。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，提供了一種密鑰產(chǎn)生方法，包括下述步驟產(chǎn)生隨機(jī) 數(shù)；基于在產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)的步驟中產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)，產(chǎn)生分別與對(duì)應(yīng)于η量子位的m種類型的幺 正運(yùn)算UiG = 1至m)以及對(duì)應(yīng)于m量子位的兩種類型的么正運(yùn)算L和R對(duì)應(yīng)的量子程序 U” L和R ；產(chǎn)生量子程序CU，該量子程序CU的控制被使能從而使得根據(jù)m量子位的輸入狀 態(tài)控制量子程序Ui的操作；通過(guò)把量子程序L和R附加到量子程序CU產(chǎn)生量子程序G ；通 過(guò)使量子程序G模糊化產(chǎn)生與公鑰對(duì)應(yīng)的量子程序P ；產(chǎn)生與對(duì)應(yīng)于量子程序CU的么正運(yùn) 算⑶的厄密共軛ClJhi應(yīng)的量子程序Clf、以及與所述么正運(yùn)算R的復(fù)共軛對(duì)應(yīng)的量 子程序R * ；以及通過(guò)連接量子程序GUi和量子程序R*產(chǎn)生與私鑰對(duì)應(yīng)的量子程序S。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，提供了一種加密方法，包括下述步驟通過(guò)使用量子計(jì) 算機(jī)產(chǎn)生ail量子位的最大糾纏態(tài)；以及通過(guò)使用量子計(jì)算機(jī)并把在產(chǎn)生an量子位的最大 糾纏態(tài)的步驟中產(chǎn)生的ail量子位的最大糾纏態(tài)之中的m量子位的量子狀態(tài)和要發(fā)送的η 量子位的量子狀態(tài)輸入到由密鑰產(chǎn)生裝置產(chǎn)生的與公鑰對(duì)應(yīng)的量子程序P來(lái)計(jì)算加密的 量子狀態(tài)，該密鑰產(chǎn)生裝置包括隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器，產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)；量子程序產(chǎn)生單元，基于通 過(guò)使用隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)，產(chǎn)生分別與對(duì)應(yīng)于η量子位的m種類型的么正運(yùn)算 UiG = 1至m)以及對(duì)應(yīng)于m量子位的兩種類型的么正運(yùn)算L和R對(duì)應(yīng)的量子程序UpL和 R ；量子程序控制使能單元，產(chǎn)生量子程序CU，該量子程序CU的控制被使能從而使得根據(jù)m 量子位的輸入狀態(tài)控制量子程序Ui的操作；量子程序附加單元，通過(guò)把量子程序L和R附 加到量子程序CU產(chǎn)生量子程序G ；和量子程序模糊化單元，通過(guò)使量子程序G模糊化產(chǎn)生 與所述公鑰對(duì)應(yīng)的量子程序P。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，提供了一種解密方法，包括下述步驟通過(guò)使用量子計(jì) 算機(jī)并把通過(guò)使用與公鑰對(duì)應(yīng)的量子程序P產(chǎn)生的加密的量子狀態(tài)輸入到由密鑰產(chǎn)生裝 置產(chǎn)生的與私鑰對(duì)應(yīng)的量子程序S來(lái)計(jì)算原始量子狀態(tài)，該密鑰產(chǎn)生裝置包括隨機(jī)數(shù)產(chǎn) 生器，產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)；量子程序產(chǎn)生單元，基于通過(guò)使用隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)，產(chǎn)生分 別與對(duì)應(yīng)于η量子位的m種類型的么正運(yùn)算= 1至m)以及對(duì)應(yīng)于m量子位的兩種類型的幺正運(yùn)算L和R對(duì)應(yīng)的量子程序U”L和R ；量子程序控制使能單元，產(chǎn)生量子程序CU， 該量子程序CU的控制被使能從而使得根據(jù)m量子位的輸入狀態(tài)控制量子程序Ui的操作；量 子程序附加單元，通過(guò)把量子程序L和R附加到量子程序CU產(chǎn)生量子程序G ；量子程序模糊 化單元，通過(guò)使量子程序G模糊化產(chǎn)生與公鑰對(duì)應(yīng)的量子程序P ；逆量子程序產(chǎn)生單元，產(chǎn) 生與對(duì)應(yīng)于量子程序⑶的么正運(yùn)算⑶的厄密共軛ClJhi應(yīng)的量子程序CUt、以及與所述 幺正運(yùn)算R的復(fù)共軛R*對(duì)應(yīng)的量子程序R* ；和量子程序連接單元，通過(guò)連接量子程序CUi 和量子程序R *產(chǎn)生與所述私鑰對(duì)應(yīng)的量子程序S。根據(jù)上述本發(fā)明的實(shí)施例，通過(guò)使用最大糾纏態(tài)的表現(xiàn)基底非唯一的性質(zhì)，實(shí)現(xiàn) 了更安全更方便的量子公鑰密碼系統(tǒng)。


圖1是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的量子公鑰加密系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)的例子的說(shuō)明圖；圖2是示出根據(jù)實(shí)施例的密鑰產(chǎn)生裝置的功能結(jié)構(gòu)的例子的說(shuō)明圖；圖3是示出根據(jù)實(shí)施例的密鑰產(chǎn)生方法的處理流程的說(shuō)明圖；圖4是示出用于構(gòu)造通用量子電路的量子電路的例子的說(shuō)明圖；圖5是示出根據(jù)實(shí)施例的量子程序(quantum program)產(chǎn)生方法的例子的說(shuō)明 圖；圖6是示出根據(jù)實(shí)施例的控制使能方法的例子的說(shuō)明圖；圖7是示出根據(jù)實(shí)施例的量子程序附加方法的例子的說(shuō)明圖；圖8是示出根據(jù)實(shí)施例的模糊化方法的例子的說(shuō)明圖；圖9是示出根據(jù)實(shí)施例的模糊化方法的例子的說(shuō)明圖；圖10是示出根據(jù)實(shí)施例的模糊化方法的例子的說(shuō)明圖；圖11是示出根據(jù)實(shí)施例的逆量子程序產(chǎn)生方法的例子的說(shuō)明圖；圖12是示出根據(jù)實(shí)施例的逆量子程序的連接方法的說(shuō)明圖；圖13是示出根據(jù)實(shí)施例的加密裝置的功能結(jié)構(gòu)的例子的說(shuō)明圖；圖14是示出根據(jù)實(shí)施例的加密方法中的處理流程的說(shuō)明圖；圖15是示出根據(jù)實(shí)施例的加密方法的例子的說(shuō)明圖；圖16是示出根據(jù)實(shí)施例的解密裝置的功能結(jié)構(gòu)的例子的說(shuō)明圖；圖17是示出根據(jù)實(shí)施例的解密方法中的處理流程的說(shuō)明圖；以及圖18是示出根據(jù)實(shí)施例的解密方法的例子的說(shuō)明圖。
具體實(shí)施例方式以下，將參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。需要注意的是，在本說(shuō)明書和附 圖中，用相同的標(biāo)號(hào)具有基本上相同功能和結(jié)構(gòu)的構(gòu)成要素表示，并且省略對(duì)這些構(gòu)成要 素的重復(fù)解釋。〈說(shuō)明的流程〉這里簡(jiǎn)要提及與稍后描述的本發(fā)明實(shí)施例相關(guān)的說(shuō)明的流程。首先，將參照?qǐng)D1 描述根據(jù)實(shí)施例的量子公鑰加密系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。接下來(lái)，將參照?qǐng)D2描述用于產(chǎn)生根據(jù) 實(shí)施例的量子公鑰加密系統(tǒng)中使用的公鑰和私鑰的密鑰產(chǎn)生裝置100的功能結(jié)構(gòu)。然后，將參照?qǐng)D3至圖12描述由密鑰產(chǎn)生裝置100執(zhí)行的密鑰產(chǎn)生處理的流程和處理的內(nèi)容。接下來(lái)，將參照?qǐng)D13描述用于在根據(jù)實(shí)施例的量子公鑰加密系統(tǒng)中對(duì)將要發(fā)送 的量子狀態(tài)進(jìn)行加密的加密裝置200的功能結(jié)構(gòu)。此外，將參照?qǐng)D14和圖15描述由加密裝 置200執(zhí)行的加密處理的流程和處理的內(nèi)容。接下來(lái)，將參照?qǐng)D16描述用于在根據(jù)實(shí)施例 的量子公鑰加密系統(tǒng)中從加密的量子狀態(tài)恢復(fù)原始量子狀態(tài)的解密裝置300的功能結(jié)構(gòu)。 此外，將參照?qǐng)D17和圖18描述由解密裝置300執(zhí)行的解密處理的流程和處理的內(nèi)容。(說(shuō)明項(xiàng))1 量子公鑰加密系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)2 密鑰產(chǎn)生方法2-1 密鑰產(chǎn)生裝置100的功能結(jié)構(gòu)2-1-1 公鑰產(chǎn)生單元110的功能2-1-2 私鑰產(chǎn)生單元130的功能2-2 密鑰產(chǎn)生處理的細(xì)節(jié)2-2-1 公鑰P的產(chǎn)生方法2-2-2 私鑰S的產(chǎn)生方法3 加密方法3-1 加密裝置200的功能結(jié)構(gòu)3-2 加密處理的細(xì)節(jié)4 解密方法4-1 解密裝置300的功能結(jié)構(gòu)4-2:解密處理的細(xì)節(jié)5 總結(jié)<1 量子公鑰加密系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)>首先，將參照?qǐng)D1描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的量子公鑰加密系統(tǒng)的總體圖。圖1是 描述根據(jù)本實(shí)施例的量子公鑰加密系統(tǒng)的總體圖以及公鑰認(rèn)證和量子密文的發(fā)送/接收 的流程。如圖1中所示，根據(jù)本實(shí)施例的量子公鑰加密系統(tǒng)包括密文接收者10、密文發(fā)送 者20和認(rèn)證機(jī)構(gòu)30。密文接收者10是為了說(shuō)明而擬人化的包括稍后描述的密鑰產(chǎn)生裝置 100和解密裝置300的處理塊。類似地，密文發(fā)送者20是為了說(shuō)明而擬人化的包括稍后描 述的加密裝置200的處理塊。此外，認(rèn)證機(jī)構(gòu)30是可靠的第三方機(jī)構(gòu)或可靠的認(rèn)證機(jī)構(gòu)。(密鑰產(chǎn)生一認(rèn)證一加密一解密的流程)首先，密文接收者10產(chǎn)生一對(duì)公鑰和私鑰(步驟1)。接下來(lái)，密文接收者10向認(rèn) 證機(jī)構(gòu)30登記公鑰。此時(shí)，密文接收者10通過(guò)經(jīng)典通信信道把公鑰發(fā)送給認(rèn)證機(jī)構(gòu)30 (步 驟2)。另外，如稍后所述，由根據(jù)本實(shí)施例的量子公鑰加密系統(tǒng)使用的公鑰僅由經(jīng)典信息構(gòu) 成。此外，私鑰由密文接收者10保密。接下來(lái)，認(rèn)證機(jī)構(gòu)30認(rèn)證由密文接收者10登記的公鑰(步驟3)。然后，認(rèn)證機(jī) 構(gòu)30公布已被認(rèn)證的公鑰。此時(shí)，認(rèn)證機(jī)構(gòu)30通過(guò)經(jīng)典通信信道把認(rèn)證的公鑰發(fā)送給密 文發(fā)送者20 (步驟4)。當(dāng)通過(guò)經(jīng)典通信信道獲得公布的公鑰時(shí)，密文發(fā)送者20檢驗(yàn)獲得的公鑰是否已被認(rèn)證。然后，當(dāng)確認(rèn)獲得的公鑰被認(rèn)證時(shí)，密文發(fā)送者20通過(guò)使用量子計(jì)算機(jī)和公鑰產(chǎn) 生密文(步驟5)。 首先，密文發(fā)送者20通過(guò)對(duì)希望發(fā)送的經(jīng)典信息進(jìn)行編碼產(chǎn)生量子狀態(tài)或者準(zhǔn) 備希望發(fā)送的量子狀態(tài)。接下來(lái)，密文發(fā)送者20產(chǎn)生最大糾纏態(tài)。然后，密文發(fā)送者20給 出已產(chǎn)生或準(zhǔn)備的量子狀態(tài)和已產(chǎn)生的最大糾纏態(tài)的一部分，作為由公鑰指示的量子程序 的輸入，并通過(guò)量子計(jì)算機(jī)產(chǎn)生密文(加密的量子狀態(tài))。 接下來(lái)，密文發(fā)送者20通過(guò)量子通信信道把產(chǎn)生的密文發(fā)送給密文接收者10 (步 驟6)。密文接收者10給出通過(guò)量子通信信道接收的密文作為由私鑰指示的量子程序的輸 入，并通過(guò)量子計(jì)算機(jī)恢復(fù)原始量子狀態(tài)(步驟7)。如上所述，根據(jù)本實(shí)施例的量子公鑰加密系統(tǒng)中使用的公鑰是以經(jīng)典信息的形式 描述的量子程序。因此，由于僅由經(jīng)典信息描述公鑰，所以能夠容易地檢驗(yàn)公鑰有無(wú)認(rèn)證。 另外，密文接收者10的密鑰產(chǎn)生(步驟1)由稍后描述的密鑰產(chǎn)生裝置100執(zhí)行。此外，密 文發(fā)送者20的密文的產(chǎn)生(步驟幻由稍后描述的加密裝置200執(zhí)行。另外，密文接收者 10的解密(步驟7)由稍后描述的解密裝置300執(zhí)行。(量子計(jì)算機(jī)模型)如上所述，根據(jù)本實(shí)施例的量子公鑰加密系統(tǒng)在產(chǎn)生密文(步驟5)和對(duì)密文解密 (步驟7)時(shí)使用量子計(jì)算機(jī)。此外，根據(jù)本實(shí)施例的公鑰和私鑰是指示量子程序的多個(gè)經(jīng) 典信息。因此，首先，在描述本實(shí)施例之前，將簡(jiǎn)要描述量子計(jì)算機(jī)的模型和量子程序的表 示方法。量子計(jì)算機(jī)采用量子程序和量子數(shù)據(jù)作為輸入。量子程序是描述量子算法的執(zhí)行 方法的經(jīng)典信息。另一方面，量子數(shù)據(jù)是將要對(duì)其執(zhí)行量子算法的量子狀態(tài)。量子程序的 表示方法根據(jù)使用的量子計(jì)算模型而不同。作為代表性的量子計(jì)算模型，例如已知量子電路模型、量子圖靈機(jī)模型、基于觀測(cè) 的量子計(jì)算模型等。在量子電路模型的情況下，通過(guò)使用量子電路圖來(lái)表示量子程序。在 量子圖靈機(jī)模型的情況下，通過(guò)使用狀態(tài)遷移圖來(lái)表示量子程序。在基于觀測(cè)的量子計(jì)算 模型的情況下，通過(guò)使用曲線圖來(lái)表示量子程序。在下面的說(shuō)明中，將使用量子電路模型的 表示。然而，應(yīng)該注意的是，量子電路模型的差異是表示的差異，并且本實(shí)施例的技術(shù)范圍 不限于量子電路模型。另外，對(duì)于量子電路模型和量子圖靈機(jī)模型，例如參見“Nielsen and Chuang, Quantum Computation and QuantumInformation, Cambridge University Press，，。此夕卜， 對(duì)于基于觀測(cè)的量子計(jì)算模型，例如參見“R. Raussendorf and H. J. Briegel, Phys. Rev. Lett.，86 (5188)，2001”。到現(xiàn)在為止，已描述了根據(jù)本實(shí)施例的量子公鑰加密系統(tǒng)的總體圖。下面，將詳細(xì) 地順序描述根據(jù)本實(shí)施例的量子公鑰加密系統(tǒng)中的密鑰產(chǎn)生方法、加密方法和解密方法。<2 密鑰產(chǎn)生方法>首先，將描述根據(jù)本實(shí)施例的密鑰產(chǎn)生方法。通過(guò)根據(jù)本實(shí)施例的密鑰產(chǎn)生方法 產(chǎn)生的公鑰和私鑰由量子程序表示。量子程序是由量子計(jì)算機(jī)執(zhí)行的么正運(yùn)算(unitary operation)的組合所表示的設(shè)計(jì)圖。如上所述，存在表示量子程序的幾種方式，但在本說(shuō)明 書中，采用量子電路模型的表示法(以下稱為量子電路圖)作為例子。
例如，通過(guò)如圖4中所示組合量子電路來(lái)設(shè)計(jì)量子電路圖。量子電路圖中所包括 的量子電路是么正運(yùn)算的表示。另外，在下面的說(shuō)明中，量子電路可表示為量子程序。另外， 幺正運(yùn)算和執(zhí)行么正運(yùn)算的量子程序被視為相同，并且由相同的符號(hào)表示。例如，關(guān)于幺正 運(yùn)算U和V的乘積UV，與么正運(yùn)算U和V對(duì)應(yīng)的量子程序由U和V表示并且與乘積UV對(duì)應(yīng) 的量子程序由UV表示。另外，作為由量子程序表示的么正運(yùn)算的實(shí)現(xiàn)方法，可想到各種方法，諸如由經(jīng)典 計(jì)算機(jī)使用量子計(jì)算機(jī)的仿真器的方法以及通過(guò)使用利用離子阱、腔QED、NMR、超導(dǎo)體、光 學(xué)系統(tǒng)等的量子計(jì)算機(jī)的方法。此外，用于實(shí)現(xiàn)稍后描述的根據(jù)本實(shí)施例的加密方法和解 密方法的量子計(jì)算機(jī)可執(zhí)行基于任何運(yùn)算原理的么正運(yùn)算，或者它可以是用于基于未來(lái)設(shè) 計(jì)的其它運(yùn)算原理的么正運(yùn)算的運(yùn)算裝置。<2-1 密鑰產(chǎn)生裝置100的功能結(jié)構(gòu)>在下面，將參照?qǐng)D2描述用于實(shí)現(xiàn)根據(jù)本實(shí)施例的密鑰產(chǎn)生方法的密鑰產(chǎn)生裝置 100的功能結(jié)構(gòu)。圖2是示出根據(jù)本實(shí)施例的密鑰產(chǎn)生裝置100的功能結(jié)構(gòu)的例子的說(shuō)明 圖。如圖2中所示，密鑰產(chǎn)生裝置100主要包括公鑰產(chǎn)生單元110和私鑰產(chǎn)生單元 130。公鑰產(chǎn)生單元110是用于產(chǎn)生公鑰P(量子程序P)的處理塊。另一方面，私鑰產(chǎn)生單 元130是用于產(chǎn)生私鑰S(量子程序幻的處理塊。在下面，將通過(guò)使用量子電路圖更詳細(xì) 地描述每個(gè)處理塊的功能。另外，量子電路圖在這里用作例子，但本實(shí)施例的技術(shù)范圍不限于量子電路模型。 例如，通過(guò)用曲線圖替換構(gòu)成稍后描述的量子電路圖的通用量子電路，能夠把基于量子電 路模型的結(jié)構(gòu)修改為基于基于觀測(cè)的量子計(jì)算模型的結(jié)構(gòu)。這種修改不影響根據(jù)本實(shí)施例的密鑰產(chǎn)生處理的內(nèi)容。另外，替代于用曲線圖替 換通用量子電路，通過(guò)與稍后描述的通用量子電路的構(gòu)造方法相同的操作步驟構(gòu)造曲線 圖，能夠?qū)崿F(xiàn)基于曲線圖的密鑰產(chǎn)生方法。(2-1-1 公鑰產(chǎn)生單元110的功能)首先，將描述公鑰產(chǎn)生單元110的功能結(jié)構(gòu)。如圖2中所示，公鑰產(chǎn)生單元110主要包括隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元112、量子程序產(chǎn)生 單元114、控制使能單元116、量子程序附加單元118和模糊化單元120。在下面，將按照公 鑰的產(chǎn)生過(guò)程的流程描述每個(gè)構(gòu)成要素的功能。(隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元112的功能)首先，隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元112通過(guò)使用隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)序列。作為隨機(jī)數(shù) 產(chǎn)生器，例如使用利用熱噪聲的物理隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器、基于Merserme twister方法的偽隨機(jī) 數(shù)產(chǎn)生器等。當(dāng)產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)序列時(shí)，隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元112把產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)序列輸入到量子 程序產(chǎn)生單元114。(量子程序產(chǎn)生單元114的功能)量子程序產(chǎn)生單元114產(chǎn)生均以η量子位(qubit)的量子狀態(tài)作為輸入的么正運(yùn) 算U1, ...，Um的量子程序仏，...，Um和以m量子位的量子狀態(tài)作為輸入的幺正運(yùn)算L，R的 量子程序L，R0此時(shí)，量子程序產(chǎn)生單元114通過(guò)使用從隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元112輸入的隨機(jī) 數(shù)序列以及通過(guò)隨機(jī)組合預(yù)先準(zhǔn)備的稱為通用量子電路的幾種類型的量子電路，產(chǎn)生量子程序UA，...，扎以及1^和1 。這里，將參照?qǐng)D4和圖5詳細(xì)描述量子程序產(chǎn)生單元114的量子程序X(X = U1, ... , Um, L，R)的產(chǎn)生方法。圖4示出用于產(chǎn)生量子程序X的通用量子電路的例子。根據(jù)這些例子，與1個(gè)量子 位對(duì)應(yīng)的哈達(dá)曼(Hadamard)電路H、與1個(gè)量子位對(duì)應(yīng)的π /8相移電路Τ、與1個(gè)量子位 對(duì)應(yīng)的相位電路S和與2個(gè)量子位對(duì)應(yīng)的受控NOT電路(非電路)CN用作用于產(chǎn)生量子程 序X的通用量子電路。此外，與對(duì)應(yīng)于η /8相移電路T的么正運(yùn)算T的厄密(Hermitian) 共軛1^對(duì)應(yīng)的厄密共軛η /8相移電路！^和與對(duì)應(yīng)于相位電路S的么正運(yùn)算S的厄密共軛 Si對(duì)應(yīng)的厄密共軛相位電路Sli用于產(chǎn)生量子程序X。另外，如圖4中所示，預(yù)先把互相不同的數(shù)分配給通用量子電路H、Τ、S和CN。另 外，在厄密共軛不同于原始通用量子電路的情況下，預(yù)先把互相不同的數(shù)分配給通用量子 電路的厄密共軛1^和#。在圖4的例子中，為哈達(dá)曼電路H分配0，為π /8相移電路T分配 1，為厄密共軛η /8相移電路f分配2，為相位電路S分配3，為厄密共軛相位電路Si分配 4，并且為受控NOT電路CN分配5。量子程序產(chǎn)生單元114通過(guò)組合這些通用量子電路產(chǎn)生 量子程序X。通過(guò)圖5中示出的方法確定通用量子電路的組合。另外，考慮產(chǎn)生包括三個(gè)量子寄存器(量子寄存器1至幻的量子程序X的方法作 為具體例子。首先，量子程序產(chǎn)生單元114使隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元112產(chǎn)生0和5之間的數(shù)，并 通過(guò)使用從隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元112輸入的數(shù)，選擇一個(gè)通用量子電路(步驟1)。例如，在從隨 機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元112輸入0的情況下，量子程序產(chǎn)生單元114選擇分配了 0的哈達(dá)曼電路H。在步驟1中選擇的通用量子電路是與1個(gè)量子位對(duì)應(yīng)的量子電路的情況下，量子 程序產(chǎn)生單元114使隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元112產(chǎn)生1和3之間的一個(gè)數(shù)，并通過(guò)使用從隨機(jī)數(shù) 產(chǎn)生單元112輸入的數(shù)，選擇用于放置通用量子電路的量子寄存器(步驟2)。另一方面，在步驟1中選擇的通用量子電路是與2個(gè)量子位對(duì)應(yīng)的量子電路的情 況下，量子程序產(chǎn)生單元114使隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元112產(chǎn)生1和3之間的兩個(gè)數(shù)，并通過(guò)使用 從隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元112輸入的數(shù)，選擇用于放置通用量子電路的量子寄存器(步驟2)。例如，在步驟1中選擇了受控NOT電路CN的情況下，量子程序產(chǎn)生單元114設(shè)置 與由隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元112首先輸入的數(shù)對(duì)應(yīng)的量子寄存器作為控制寄存器并設(shè)置與接下 來(lái)輸入的數(shù)對(duì)應(yīng)的量子寄存器作為目標(biāo)寄存器，并且放置受控NOT電路CN。這里，在從隨機(jī) 數(shù)產(chǎn)生單元112輸入兩個(gè)相同數(shù)的情況下，量子程序產(chǎn)生單元114使隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元112 再次產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)。量子程序產(chǎn)生單元114通過(guò)重復(fù)上述步驟1和步驟2的操作大約ρ (η)次(ρ (η) 是η的多項(xiàng)式函數(shù))，產(chǎn)生量子程序X，并且基于從隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元112輸入的隨機(jī)數(shù)序列 順序地把通用量子電路放置在量子寄存器中。在以上例子中量子寄存器的數(shù)量是3，但量子 程序產(chǎn)生單元114的功能不限于此。另外，圖5示出通過(guò)重復(fù)步驟1和步驟2的操作五次 獲得的量子程序X的例子。量子程序產(chǎn)生單元114重復(fù)執(zhí)行以上方法并產(chǎn)生量子程序仏，...，Um以及L和R。 與η量子位對(duì)應(yīng)的量子程序仏，...，Um由η個(gè)量子寄存器形成。此外，與m量子位對(duì)應(yīng)的 量子程序L和R由m個(gè)量子寄存器形成。以這種方式由量子程序產(chǎn)生單元114產(chǎn)生的量子程序U1, ...,Um被輸入到控制使能單元116，如圖2中所示。此外，由量子程序產(chǎn)生單元114產(chǎn)生的量子程序L和R被輸入 到量子程序附加單元118。另外，由量子程序產(chǎn)生單元114產(chǎn)生的量子程序R被輸入到稍后 描述的私鑰產(chǎn)生單元130的逆量子程序產(chǎn)生單元132。(控制使能單元116的功能)控制使能單元116使能控制從量子程序產(chǎn)生單元114輸入的量子程序仏，...，Um 并產(chǎn)生量子程序⑶?！笆鼓芸刂?enable control) ”在這里是指使能要用于根據(jù)輸入到m 個(gè)控制寄存器的量子狀態(tài)的計(jì)算的量子程序U1, ...，Um的選擇。例如，量子程序CU由圖6 中示出的量子電路圖表示。如圖6中所示，量子程序⑶包括m+n個(gè)量子寄存器。在這m+n個(gè)量子寄存器之中， m個(gè)量子寄存器是用于量子程序U1,..., Um的選擇的控制寄存器(控制寄存器1至m)。此 外，其余η個(gè)量子寄存器是數(shù)據(jù)寄存器，量子程序仏，...，Um將會(huì)被放置在其中。另外，量 子程序CU的處理從左到右進(jìn)行。另外，1量子位的量子狀態(tài)被輸入給每個(gè)量子寄存器。在圖6的例子中，量子程序仏，...，Um從左到右順序地放置在數(shù)據(jù)寄存器中?？?制寄存器1連接到量子程序仏，控制寄存器2連接到量子程序U2,控制寄存器3連接到量子 程序U3，...，控制寄存器m連接到量子程序Um。包括量子程序仏的電路將被稱為第一量子 位控制仏電路，包括量子程序隊(duì)的電路將被稱為第二量子位控制隊(duì)電路，包括量子程序U3 的電路將被稱為第三量子位控制U3電路，...，包括量子程序Um的電路將被稱為第m量子位 控制Um電路。量子程序CU被構(gòu)成為使得在1量子位的量子狀態(tài)11 >被輸入到控制寄存器1的 情況下對(duì)輸入到數(shù)據(jù)寄存器的量子狀態(tài)執(zhí)行量子程序U1。類似地，量子程序CU被構(gòu)成為使 得在1量子位的量子狀態(tài)I 1 >被輸入到控制寄存器k(k = 2至m)的情況下對(duì)輸入到數(shù)據(jù) 寄存器的量子狀態(tài)執(zhí)行量子程序Uk。因此，基于輸入到控制寄存器1至m的量子狀態(tài)，控制對(duì)輸入到數(shù)據(jù)寄存器的量 子狀態(tài)要執(zhí)行的量子程序仏，...，Um的組合。另外，在量子狀態(tài)Io >被輸入到控制寄存器 k’(k’ = 1至m)的情況下，不對(duì)輸入到數(shù)據(jù)寄存器的量子狀態(tài)執(zhí)行量子程序Uk，。如下產(chǎn)生以這種方式使能控制的量子程序⑶。如上所述，由量子程序產(chǎn)生單元 114產(chǎn)生的量子程序仏由通用量子電路形成。在“Nielsen and Chuang, Quantum Computation and QuantumInformation, Cambridge University I^ress”中描述了作為第一量子位控制從電路的通用量子電路的使 能控制的方法。因此，通過(guò)把該方法應(yīng)用于量子程序仏中所包括的所有通用量子電路并且 對(duì)于控制寄存器1進(jìn)行所有通用量子電路的使能控制，產(chǎn)生第一量子位控制仏電路。類似 地，產(chǎn)生第k量子位控制Uk電路(k = 2至m)。以這種方式由控制使能單元116產(chǎn)生的量子程序⑶被輸入到量子程序附加單元 118，如圖2中所示。此外，這個(gè)量子程序CU被輸入到稍后描述的私鑰產(chǎn)生單元130的逆量 子程序產(chǎn)生單元132。(量子程序附加單元118的功能)如上所述，由量子程序產(chǎn)生單元114產(chǎn)生的量子程序L和R以及由控制使能單元 116產(chǎn)生的量子程序CU被輸入到量子程序附加單元118。量子程序附加單元118把量子程 序L和R附加到量子程序CU，并產(chǎn)生如圖7中所示的量子程序G。
首先，量子程序附加單元118把量子程序R放在第一量子位控制仏電路前面。此 時(shí)，量子程序附加單元118放置量子程序R，使得控制寄存器1至m的輸入將是量子程序R 的輸入并且量子程序R的輸出將是量子程序CU的控制寄存器1至m的輸入。接下來(lái)，量子程序附加單元118把量子程序L放在第m量子位控制Um電路后面。 此時(shí)，量子程序附加單元118放置量子程序L，使得量子程序CU的控制寄存器1至m的輸入 將是量子程序L的輸入。這里，將描述把量子程序R和L加到量子程序⑶的意義。例如，在執(zhí)行量子程序CU中所包括的量子程序Uk的情況下，1量子位的量子狀態(tài) 1 >必須被輸入到量子程序⑶的控制寄存器k。因此，必須控制量子程序R的輸入以使得
在執(zhí)行量子程序R之后量子狀態(tài)11 >被輸入到量子程序CU的控制寄存器k。知道量子程序R的電路結(jié)構(gòu)的人能夠適當(dāng)控制量子程序R的輸入并把量子狀態(tài)I 1 >輸入到量子程序CU的控制寄存器k。然而，不知道量子程序R的電路結(jié)構(gòu)的人難以把量 子狀態(tài)11 >輸入到量子程序CU的控制寄存器k。也就是說(shuō)，不知道量子程序R的人不知道要把哪種量子狀態(tài)輸入到量子程序G以 指定量子程序CU中所包括的量子程序Uk。換句話說(shuō)，附加量子程序R的意義在于隱藏指定 量子程序CU中所包括的量子程序Uk的方法。另一方面，附加量子程序L的意義在于提高量子程序R的隱密性。如果在量子程 序CU具有特征結(jié)構(gòu)的情況下不附加量子程序L，則存在從稍后描述的模糊化之后獲得的量 子程序G的信息分離出量子程序R的風(fēng)險(xiǎn)。因此，把量子程序R和L被附加到量子程序CU。以這種方式由量子程序附加單元118產(chǎn)生的量子程序G被輸入到模糊化單元120。(模糊化單元120的功能)如圖8中所示，模糊化單元120把從量子程序附加單元118輸入的量子程序G轉(zhuǎn) 換(模糊化)成另一量子程序P。這個(gè)量子程序P對(duì)應(yīng)于具有與對(duì)應(yīng)于量子程序G的幺正 運(yùn)算G相同的內(nèi)容的幺正運(yùn)算P。也就是說(shuō)，模糊化單元120把量子程序G轉(zhuǎn)換成量子程序P而不改變么正運(yùn)算的 內(nèi)容。這種轉(zhuǎn)換使得難以從量子程序P獲得關(guān)于量子程序R的信息。結(jié)果，關(guān)于量子程序 CU的信息被保密。模糊化單元120輸出量子程序P作為公鑰P。這里，將參照?qǐng)D9和圖10更詳細(xì)地描述上述模糊化的方法。另外，這里將描述對(duì) 由大約P (η)個(gè)通用量子電路形成的量子程序U進(jìn)行模糊化的方法，ρ (η)是多項(xiàng)式函數(shù)。首先，模糊化單元120把形成量子程序U的所有通用量子電路向左移動(dòng)。通過(guò)執(zhí) 行這個(gè)操作，容易區(qū)分能夠同時(shí)執(zhí)行的一組通用量子電路。接下來(lái)，如圖9中所示，模糊化單元120為能夠同時(shí)執(zhí)行的通用量子電路的每個(gè)組 合分配編號(hào)(作標(biāo)記；步驟1)。這里，對(duì)于每個(gè)量子寄存器，能夠同時(shí)執(zhí)行的通用量子電路 的組合的數(shù)量大約為1。因此，通過(guò)指定量子寄存器的編號(hào)(以下稱為寄存器編號(hào))和分配給能夠同時(shí)執(zhí) 行的通用量子電路的組合的編號(hào)，模糊化單元120能夠指定一個(gè)通用量子電路，如圖10中 所示。接下來(lái)，模糊化單元120通過(guò)使用隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)r。這里，隨機(jī)數(shù)r是 在1和最大組合編號(hào)之間的數(shù)。然后，模糊化單元120指定與等于隨機(jī)數(shù)r的組合編號(hào)對(duì)應(yīng)的一組通用量子電路。接下來(lái)，模糊化單元120通過(guò)使用用于產(chǎn)生1和η之間的隨機(jī)數(shù) 的隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器，產(chǎn)生具有大約s = log (η)個(gè)隨機(jī)數(shù)的隨機(jī)數(shù)序列(r1; r2, . . . , rs)。接下來(lái)，模糊化單元120通過(guò)使用產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)序列指定在所指定的組中包括的 通用量子電路(r，。= {(r, T1), (r, r2), . . . , (r，rs)}。然而，在指定的位置不存在通用 量子電路的情況下，模糊化單元120忽略該位置。此外，在所有指定位置都不存在通用量子 電路的情況下，模糊化單元120再次通過(guò)使用隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)序列。接下來(lái)，針對(duì)指定的通用量子電路，模糊化單元120順序地把在時(shí)間的正方向上 相鄰的通用量子電路加入到該組中。然而，如果在把通用量子電路加入到該組的過(guò)程中受 控NOT電路CN的控制單元和目標(biāo)單元之一指定所指定的該組量子寄存器(r1; r2, . . . , rs) 中不包括的量子寄存器rs+1，則模糊化單元120把量子寄存器rs+1新加入到該組量子寄存器 并產(chǎn)生新的一組量子寄存器(r1; r2, . . . , rs, rs+1)。然后，針對(duì)所述新的一組量子寄存器(r1; r2，. . .，rs, rs+1)，模糊化單元120順序地 把在時(shí)間的正方向上相鄰的通用量子電路加入到該組中。模糊化單元120持續(xù)把通用量子 電路加入到該組，直到通用量子電路的總數(shù)大約為log0(p(n))。以這種方式產(chǎn)生的該組通用量子電路[Kr，ri)}，{(r，rj) }，...，{(r，rk)}]稱為 部分量子程序g。通過(guò)上述方法，模糊化單元120從量子程序U選擇了部分量子程序g(步 馬聚2) ο另外，在選擇部分量子程序g的過(guò)程中，如果在通用量子電路的選擇中存在任意 性，則應(yīng)該通過(guò)使用隨機(jī)數(shù)執(zhí)行選擇。接下來(lái)，模糊化單元120用另一等價(jià)的部分量子程序 g’替換選擇的部分量子程序g而不改變由部分量子程序g表示的么正運(yùn)算g。例如，模糊化單元120對(duì)與部分量子程序g等價(jià)的部分量子程序進(jìn)行窮舉搜索，并 從檢測(cè)到的部分量子程序中隨機(jī)選擇一個(gè)部分量子程序g’。在這個(gè)例子中，由于量子程序U中所包括的通用量子電路的數(shù)量大約為log 0(ρ(η))，所以可進(jìn)行替換的部分量子程序的表示為0(ρ(η))或更少。因此，對(duì)部分量子程 序的窮舉搜索在多項(xiàng)式時(shí)間內(nèi)結(jié)束。另外，在不存在可進(jìn)行替換的部分量子程序的情況下， 通用量子電路的數(shù)量可簡(jiǎn)單地增加到大約log 0(p(n))+2。通過(guò)充分重復(fù)以上過(guò)程，雖然重復(fù)多項(xiàng)式次數(shù)，但實(shí)現(xiàn)了量子程序G的模糊化。另 夕卜，優(yōu)選地把在從量子程序R到量子程序CU的部分的部分量子程序執(zhí)行η的多項(xiàng)式次數(shù)， 但已是充分的次數(shù)。(通過(guò)模糊化實(shí)現(xiàn)的計(jì)算復(fù)雜度)如前所述，根據(jù)本實(shí)施例的量子公鑰加密系統(tǒng)采用提取量子程序R的困難度作為 安全性的基底。相反，如果偷聽者成功提取了量子程序R，則他/她能夠破壞量子公鑰加密 系統(tǒng)。在根據(jù)本實(shí)施例的量子公鑰加密系統(tǒng)中，通過(guò)上述模糊化實(shí)現(xiàn)了提取量子程序R的 困難度。當(dāng)使用根據(jù)本實(shí)施例的模糊化方法時(shí)，實(shí)現(xiàn)了量子程序的高計(jì)算復(fù)雜度。偷聽者從通過(guò)使用根據(jù)本實(shí)施例的模糊化方法產(chǎn)生的量子程序P提取量子程序R 的攻擊屬于量子計(jì)算復(fù)雜度類=Quantum Merlin-Arthur困難度(QMA困難度)。另外，根據(jù) 本實(shí)施例的模糊化方法能夠應(yīng)用于任意量子程序。 另外，除了量子程序P之外，可能有人認(rèn)為偷聽者可以獲得由除偷聽者之外的人 發(fā)送的密文并嘗試從這些信息提取量子程序R。然而，這種攻擊毫無(wú)意義。這是因?yàn)橥德犝咭材軌蛲ㄟ^(guò)使用作為公鑰P的量子程序P對(duì)任意量子狀態(tài)加密。也就是說(shuō)，從量子程序P和密文的組合提取量子程序R的攻擊等同于從量子程序 P提取量子程序R的攻擊。因此，通過(guò)采用根據(jù)本實(shí)施例的模糊化方法，保證了高安全性。到現(xiàn)在為止，已描述了公鑰產(chǎn)生單元110的功能。(2-1-2 私鑰產(chǎn)生單元130的功能)接下來(lái)，將描述私鑰產(chǎn)生單元130的功能。如圖2中所示，私鑰產(chǎn)生單元130主要包括逆量子程序產(chǎn)生單元132和連接單元 134。在下面，將按照私鑰的產(chǎn)生過(guò)程的流程描述每個(gè)構(gòu)成要素的功能。(逆量子程序產(chǎn)生單元130的功能)如在公鑰產(chǎn)生單元110的說(shuō)明中所述，由量子程序產(chǎn)生單元114產(chǎn)生的量子程序 R和由控制使能單元116產(chǎn)生的量子程序⑶被輸入到逆量子程序產(chǎn)生單元132。首先，逆量子程序產(chǎn)生單元132產(chǎn)生與對(duì)應(yīng)于量子程序R的么正運(yùn)算R的復(fù)共軛 R *對(duì)應(yīng)的量子程序R *。此外，逆量子程序產(chǎn)生單元132產(chǎn)生與對(duì)應(yīng)于量子程序⑶的幺正 運(yùn)算⑶的厄密共軛CuUi應(yīng)的量子程序cut這些量子程序Rlncu喻產(chǎn)生以圖η中 示出的方式執(zhí)行。圖11示出具有從左到右排列的通用量子電路Α、B、C和D的量子程序Y的復(fù)共軛 和厄密共軛的方法。在對(duì)量子程序Y求厄密共軛的情況下，逆量子程序產(chǎn)生單元132首先以相反的次 序重新排列通用量子電路Α、B、C和D，從而從左到右排列通用量子電路D、C、B和Α。接下 來(lái)，逆量子程序產(chǎn)生單元132用已進(jìn)行了厄密共軛的通用量子電路Λ；、Bt, Ct和Dt替 換通用量子電路Α、B、C和D。結(jié)果，獲得量子程序Yi,其是進(jìn)行了厄密共軛的量子程序Y。此外，在對(duì)量子程序Y求復(fù)共軛的情況下，逆量子程序產(chǎn)生單元132用已進(jìn)行了復(fù) 共軛的通用量子電路Α*、B*、C*和D *替換形成量子程序Y的通用量子電路Α、B、C和D。 結(jié)果，獲得量子程序Y *，其是進(jìn)行了復(fù)共軛的量子程序Y。另外，通過(guò)在使通用量子電路Α、B、C和D的次序反轉(zhuǎn)之后用已轉(zhuǎn)置的通用量子電 路AT、BT、Ct和Dt替換通用量子電路Α、B、C和D，產(chǎn)生轉(zhuǎn)置的量子程序Υτ。對(duì)于由ρ (η)個(gè) 通用量子電路形成的量子程序，通過(guò)執(zhí)行大約2ρ (η)次的計(jì)算完成各計(jì)算過(guò)程，ρ (η)是多 項(xiàng)式函數(shù)。以這種方式由逆量子程序產(chǎn)生單元132產(chǎn)生的量子程序CU、n Rl皮輸入到連接 單元134。另外，量子程序匚1^是用于執(zhí)行量子程序⑶的逆么正運(yùn)算的量子程序。此外， 量子程序R *是用于執(zhí)行量子程序Rt的逆么正運(yùn)算的量子程序。(連接單元134的功能) 如圖12中所示，連接單元134通過(guò)連接由逆量子程序產(chǎn)生單元132產(chǎn)生的量子程 序GU、n R *產(chǎn)生量子程序S。此時(shí)，連接單元134把量子程序R *放在量子程序GUi前面。 另外，連接單元134連接量子程序R *和量子程序GljU^而使量子程序R *的輸出將是量子 程序CUi的控制寄存器1至m的輸入。然后，連接單元134輸出量子程序S作為私鑰S。到目前為止，已描述了私鑰產(chǎn)生單元130的功能。如前所述，密鑰產(chǎn)生裝置100分別輸出由經(jīng)典信息描述的量子程序P和S作為公鑰P和私鑰S。這樣，由于公鑰P由經(jīng)典信息描述，所以即使對(duì)公鑰P執(zhí)行識(shí)別，也不會(huì)丟 失公鑰P作為加密密鑰的有效性。另外，由于通過(guò)根據(jù)本實(shí)施例的模糊化方法使量子程序 P模糊化，所以保證了針對(duì)使用量子計(jì)算機(jī)的攻擊的極高安全性。<2-2 密鑰產(chǎn)生處理的細(xì)節(jié)>接下來(lái)，參照?qǐng)D3，將描述根據(jù)本實(shí)施例的密鑰產(chǎn)生處理的流程。圖3是示出根據(jù) 本實(shí)施例的密鑰產(chǎn)生處理的流程的說(shuō)明圖。另外，圖3中示出的密鑰產(chǎn)生處理的每個(gè)處理 步驟由上述密鑰產(chǎn)生裝置100執(zhí)行。(2-2-1 公鑰P的產(chǎn)生方法)首先，將描述與公鑰P的產(chǎn)生方法相關(guān)的處理的流程。這里描述的處理由上述密 鑰產(chǎn)生單元110執(zhí)行。當(dāng)公鑰的產(chǎn)生處理開始時(shí)，公鑰產(chǎn)生單元110首先通過(guò)隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生單元112的功 能產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)(S102)。接下來(lái)，通過(guò)量子程序產(chǎn)生單元114的功能，公鑰產(chǎn)生單元110通過(guò) 使用產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)序列產(chǎn)生m個(gè)量子程序U1,...，Um以及兩個(gè)量子程序L和R(步驟S104)。在步驟S104產(chǎn)生的m個(gè)量子程序U1,...，Um由下一步驟S106的處理使用。此外， 在步驟S104產(chǎn)生的量子程序L和R在后面的步驟S108被使用。另外，在步驟S104產(chǎn)生的 量子程序R在步驟Sl 12被使用，步驟Sl 12是與私鑰產(chǎn)生方法相關(guān)的處理。當(dāng)處理前進(jìn)至步驟S106時(shí)，公鑰產(chǎn)生單元110通過(guò)使用在步驟S104產(chǎn)生的m個(gè) 量子程序U1,...，Um，產(chǎn)生通過(guò)控制使能單元116的功能而控制使能的量子程序OT(Sioe)。 在步驟S106產(chǎn)生的量子程序⑶在下一步驟S108和步驟Sl 12被使用，步驟Sl 12是與私鑰 產(chǎn)生方法相關(guān)的處理。接下來(lái)，通過(guò)量子程序附加單元118的功能，公鑰產(chǎn)生單元110通過(guò)使用在步驟 S104產(chǎn)生的量子程序L和R以及由步驟S106產(chǎn)生的量子程序⑶產(chǎn)生量子程序G(S108)。 在步驟S108產(chǎn)生的量子程序G在下一步驟SllO被使用。接下來(lái)，通過(guò)模糊化單元120的功能，公鑰產(chǎn)生單元110使在步驟S108產(chǎn)生的量 子程序G模糊化，并產(chǎn)生量子程序P(SllO)。在步驟SllO產(chǎn)生的量子程序P作為公鑰P被 輸出。到目前為止，已描述了與公鑰P的產(chǎn)生方法相關(guān)的處理的流程。(2-2-2 私鑰S的產(chǎn)生方法)接下來(lái)，將描述與私鑰S的產(chǎn)生方法相關(guān)的處理的流程。這里描述的處理主要由 上述私鑰產(chǎn)生單元130執(zhí)行。當(dāng)私鑰的產(chǎn)生處理開始時(shí)，通過(guò)逆量子程序產(chǎn)生單元132的功能，私鑰產(chǎn)生單元 130首先通過(guò)使用在與公鑰的產(chǎn)生方法相關(guān)的處理的步驟S104和S106產(chǎn)生的量子程序R 和⑶產(chǎn)生量子程序CU、nR* (S112)。在步驟SI12產(chǎn)生的量子程序cu、nR*在下一步 驟Sl 14中被使用。接下來(lái)，通過(guò)連接單元134的功能，私鑰產(chǎn)生單元130連接在步驟Sl 12產(chǎn)生的量 子程序CU、n R *并產(chǎn)生量子程序S (Si 14)。在步驟Sl 14產(chǎn)生的量子程序S作為私鑰S被 輸出。到目前為止 ，已描述了與私鑰S的產(chǎn)生方法相關(guān)的處理的流程。如上所述，公鑰P和私鑰S分別由能夠描述為經(jīng)典信息的量子程序P和S形成。因此，能夠容易地執(zhí)行公鑰P的安全認(rèn)證。此外，通過(guò)在步驟SllO由模糊化單元120執(zhí)行的 模糊化處理，保證了公鑰P針對(duì)量子計(jì)算機(jī)的攻擊的充分安全性。以這種方式，通過(guò)采用根 據(jù)本實(shí)施例的密鑰產(chǎn)生方法，實(shí)現(xiàn)了更安全更方便的量子公鑰加密系統(tǒng)。<3:加密方法〉 接下來(lái)，將描述根據(jù)本實(shí)施例的加密方法。通過(guò)使用由上述密鑰產(chǎn)生方法產(chǎn)生的 公鑰P執(zhí)行根據(jù)本實(shí)施例的加密方法。也就是說(shuō)，通過(guò)向量子計(jì)算機(jī)輸入作為公鑰P的量 子程序P和希望加密的量子狀態(tài)，執(zhí)行根據(jù)本實(shí)施例的加密方法的加密處理。以下描述的根據(jù)本實(shí)施例的加密處理具有如下特征使用了最大糾纏態(tài)。特別地， 根據(jù)本實(shí)施例的加密方法具有如下特征通過(guò)使用最大糾纏態(tài)的基底的非唯一性，該加密 方法使密文發(fā)送者20能夠在不知道關(guān)于量子程序R的任何信息的情況下對(duì)量子狀態(tài)進(jìn)行 正確加密。在下面，將順序地描述能夠?qū)崿F(xiàn)根據(jù)本實(shí)施例的這種加密方法的加密裝置200的 功能結(jié)構(gòu)和該加密方法。<3-1 加密裝置200的功能結(jié)構(gòu)>首先，參照?qǐng)D13，將描述根據(jù)本實(shí)施例的加密裝置200的功能結(jié)構(gòu)。圖13是示出 根據(jù)本實(shí)施例的加密裝置200的功能結(jié)構(gòu)的例子的說(shuō)明圖。這里假設(shè)由密鑰產(chǎn)生裝置100 產(chǎn)生的公鑰P (量子程序P)已經(jīng)由加密裝置200獲取。另外，假設(shè)加密裝置200是量子計(jì) 算機(jī)或使用量子計(jì)算機(jī)的裝置。如圖13中所示，加密裝置200主要包括糾纏態(tài)產(chǎn)生單元202、量子狀態(tài)輸入單元 204和加密單元206。另外，加密單元206保存作為由密鑰產(chǎn)生裝置100產(chǎn)生的公鑰P的量 子程序P。另外，假設(shè)這個(gè)公鑰P由認(rèn)證機(jī)構(gòu)30認(rèn)證并由密文發(fā)送者20識(shí)別。在下面，將 按照量子狀態(tài)的加密過(guò)程的流程描述每個(gè)構(gòu)成要素的功能。(糾纏態(tài)產(chǎn)生單元202的功能)首先，糾纏態(tài)產(chǎn)生單元202產(chǎn)生2m量子位的最大糾纏態(tài)。例如，糾纏態(tài)產(chǎn)生單元 202準(zhǔn)備由下面的式(1)表示的2m量子位的基底態(tài)。然后，糾纏態(tài)產(chǎn)生單元202對(duì)下面的 式(1)中的由張量積耦合的基底態(tài)的前一半m量子位的每個(gè)量子狀態(tài)執(zhí)行哈達(dá)曼運(yùn)算。當(dāng) 執(zhí)行了這個(gè)哈達(dá)曼運(yùn)算時(shí)，產(chǎn)生由下面的式(2)表示的量子狀態(tài)。接下來(lái)，糾纏態(tài)產(chǎn)生單元202在由下面的式(2)表示的量子狀態(tài)之中采用與哈達(dá) 曼運(yùn)算的結(jié)果對(duì)應(yīng)的每個(gè)量子位作為控制量子位，并對(duì)量子狀態(tài)執(zhí)行受控NOT運(yùn)算。通過(guò) 這個(gè)受控NOT運(yùn)算產(chǎn)生由下面的式(3)表示的2m量子位的最大糾纏態(tài)。以這種方式由糾 纏態(tài)產(chǎn)生單元202產(chǎn)生的最大糾纏態(tài)I Φ >被輸入到加密單元206。 …⑴[o188]
權(quán)利要求
1.一種量子公鑰加密系統(tǒng)，包括第一量子信息處理裝置；第二量子信息處理裝置，通過(guò)量子通信信道連接到第一量子信息處理裝置；和 認(rèn)證機(jī)構(gòu)，通過(guò)經(jīng)典通信信道連接到第一量子信息處理裝置和第二量子信息處理裝置，其中第一量子信息處理裝置包括 密鑰產(chǎn)生單元，產(chǎn)生公鑰和私鑰；第一經(jīng)典發(fā)送單元，通過(guò)所述經(jīng)典通信信道把由密鑰產(chǎn)生單元產(chǎn)生的公鑰發(fā)送給認(rèn)證 機(jī)構(gòu)；第一量子接收單元，接收從第二量子信息處理裝置通過(guò)所述量子通信信道發(fā)送的加密 的量子狀態(tài)；和解密單元，通過(guò)使用由密鑰產(chǎn)生單元產(chǎn)生的私鑰，從由第一量子接收單元接收的所述 加密的量子狀態(tài)恢復(fù)原始量子狀態(tài)， 其中認(rèn)證機(jī)構(gòu)包括第一經(jīng)典接收單元，接收從第一量子信息處理裝置通過(guò)所述經(jīng)典通信信道發(fā)送的公鑰；認(rèn)證單元，對(duì)由第一經(jīng)典接收單元接收的公鑰進(jìn)行認(rèn)證；和第二經(jīng)典發(fā)送單元，通過(guò)所述經(jīng)典通信信道把由認(rèn)證單元認(rèn)證的公鑰發(fā)送給第二量子 信息處理裝置，其中第二量子信息處理裝置包括第二經(jīng)典接收單元，接收從認(rèn)證機(jī)構(gòu)通過(guò)所述經(jīng)典通信信道發(fā)送的公鑰； 加密單元，通過(guò)使用由第二經(jīng)典接收單元接收的公鑰對(duì)量子狀態(tài)進(jìn)行加密；和 量子發(fā)送單元，通過(guò)所述量子通信信道把由加密單元加密的量子狀態(tài)發(fā)送給第一量子 信息處理裝置。
2.如權(quán)利要求1所述的量子公鑰加密系統(tǒng)，其中所述密鑰產(chǎn)生單元包括 隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器，產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)；量子程序產(chǎn)生單元，基于通過(guò)使用隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)，產(chǎn)生分別與對(duì)應(yīng)于η 量子位的m種類型的么正運(yùn)算Ui以及對(duì)應(yīng)于m量子位的兩種類型的么正運(yùn)算L和R對(duì)應(yīng) 的量子程序仏、L和R，其中i = 1至m;量子程序控制使能單元，產(chǎn)生量子程序CU，該量子程序CU的控制被使能從而使得根據(jù) m量子位的輸入狀態(tài)控制量子程序Ui的操作；量子程序附加單元，通過(guò)把量子程序L和R附加到量子程序CU而產(chǎn)生量子程序G ； 量子程序模糊化單元，通過(guò)使量子程序G模糊化而產(chǎn)生與所述公鑰對(duì)應(yīng)的量子程序P ； 逆量子程序產(chǎn)生單元，產(chǎn)生與對(duì)應(yīng)于量子程序⑶的么正運(yùn)算⑶的厄密共軛GUt對(duì)應(yīng) 的量子程序Clf、以及與所述么正運(yùn)算R的復(fù)共軛對(duì)應(yīng)的量子程序；和量子程序連接單元，通過(guò)連接量子程序CUi和量子程序R *產(chǎn)生與所述私鑰對(duì)應(yīng)的量 子程序S。
3.如權(quán)利要求2所述的量子公鑰加密系統(tǒng)，其中，所述加密單元由量子計(jì)算機(jī)構(gòu)成，并且其中，所述加密單元通過(guò)產(chǎn)生an量子位的最大糾纏態(tài)并把所述an量子位的最大糾纏 態(tài)中的m量子位的量子狀態(tài)和要發(fā)送的η量子位的量子狀態(tài)I ψη >輸入到與所述公鑰對(duì) 應(yīng)的量子程序P，來(lái)計(jì)算所述加密的量子狀態(tài)。
4.如權(quán)利要求3所述的量子公鑰加密系統(tǒng)，其中，所述解密單元由量子計(jì)算機(jī)構(gòu)成，并且其中，所述解密單元通過(guò)把所述加密的量子狀態(tài)輸入到與所述私鑰對(duì)應(yīng)的量子程序S， 來(lái)計(jì)算原始量子狀態(tài)I Ψη>。
5.如權(quán)利要求4所述的量子公鑰加密系統(tǒng)，其中，所述加密單元產(chǎn)生an量子位的最大 糾纏態(tài)，保持所述an量子位的最大糾纏態(tài)之中的m量子位的量子狀態(tài)，把其余m量子位的 量子狀態(tài)與量子狀態(tài)I Ψη >—起輸入到量子程序P，并且把所保持的m量子位的量子狀態(tài) 附加到與量子狀態(tài)I Ψη >對(duì)應(yīng)的量子程序P的輸出，由此來(lái)計(jì)算所述加密的量子狀態(tài)。
6.如權(quán)利要求2所述的量子公鑰加密系統(tǒng)，其中，所述量子程序模糊化單元通過(guò)用具 有與對(duì)應(yīng)于量子程序G的么正運(yùn)算相同的計(jì)算內(nèi)容的另一量子程序G’替換量子程序G，使 量子程序G模糊化。
7.如權(quán)利要求6所述的量子公鑰加密系統(tǒng)，其中，所述量子程序模糊化單元通過(guò)用具 有與形成量子程序G的一部分的部分量子程序g相同的計(jì)算內(nèi)容的另一量子程序g’替換 該部分量子程序g，使量子程序G模糊化。
8.一種密鑰產(chǎn)生裝置，包括隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器，產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)；量子程序產(chǎn)生單元，基于通過(guò)使用隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)，產(chǎn)生分別與對(duì)應(yīng)于η 量子位的m種類型的么正運(yùn)算Ui以及對(duì)應(yīng)于m量子位的兩種類型的么正運(yùn)算L和R對(duì)應(yīng) 的量子程序仏、L和R，其中i = 1至m;量子程序控制使能單元，產(chǎn)生量子程序CU，該量子程序CU的控制被使能從而使得根據(jù) m量子位的輸入狀態(tài)控制量子程序Ui的操作；量子程序附加單元，通過(guò)把量子程序L和R附加到量子程序CU產(chǎn)生量子程序G ；量子程序模糊化單元，通過(guò)使量子程序G模糊化產(chǎn)生與公鑰對(duì)應(yīng)的量子程序P ；逆量子程序產(chǎn)生單元，產(chǎn)生與對(duì)應(yīng)于量子程序⑶的么正運(yùn)算⑶的厄密共軛CUt對(duì)應(yīng) 的量子程序cut、以及與所述么正運(yùn)算R的復(fù)共軛對(duì)應(yīng)的量子程序；和量子程序連接單元，通過(guò)連接量子程序CUi和量子程序R *產(chǎn)生與私鑰對(duì)應(yīng)的量子程 序S。
9.一種加密裝置，包括公鑰保持單元，保持由密鑰產(chǎn)生裝置產(chǎn)生的與公鑰對(duì)應(yīng)的量子程序P，該密鑰產(chǎn)生裝置 包括隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器，產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)；量子程序產(chǎn)生單元，基于通過(guò)使用隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器產(chǎn)生的 隨機(jī)數(shù)，產(chǎn)生分別與對(duì)應(yīng)于η量子位的m種類型的么正運(yùn)算Ui以及對(duì)應(yīng)于m量子位的兩種 類型的么正運(yùn)算L和R對(duì)應(yīng)的量子程序U”L和R，其中i = 1至m;量子程序控制使能單 元，產(chǎn)生量子程序CU，該量子程序CU的控制被使能從而使得根據(jù)m量子位的輸入狀態(tài)控制 量子程序Ui的操作；量子程序附加單元，通過(guò)把量子程序L和R附加到量子程序CU產(chǎn)生量 子程序G ；和量子程序模糊化單元，通過(guò)使量子程序G模糊化產(chǎn)生與所述公鑰對(duì)應(yīng)的量子程序P ；糾纏態(tài)產(chǎn)生單元，通過(guò)使用量子計(jì)算機(jī)產(chǎn)生an量子位的最大糾纏態(tài)；和加密單元，通過(guò)使用量子計(jì)算機(jī)，通過(guò)把由糾纏態(tài)產(chǎn)生單元產(chǎn)生的最大糾纏態(tài)的一部 分和要發(fā)送的η量子位的量子狀態(tài)輸入到與所述公鑰對(duì)應(yīng)的量子程序P，計(jì)算加密的量子 狀態(tài)。
10.一種解密裝置，包括私鑰保持單元，保持由密鑰產(chǎn)生裝置產(chǎn)生的與私鑰對(duì)應(yīng)的量子程序S，該密鑰產(chǎn)生裝置 包括隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器，產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)；量子程序產(chǎn)生單元，基于通過(guò)使用隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器產(chǎn)生的 隨機(jī)數(shù)，產(chǎn)生分別與對(duì)應(yīng)于η量子位的m種類型的么正運(yùn)算Ui以及對(duì)應(yīng)于m量子位的兩種 類型的么正運(yùn)算L和R對(duì)應(yīng)的量子程序仏丄和R，其中i = 1至m ；量子程序控制使能單元， 產(chǎn)生量子程序CU，該量子程序CU的控制被使能從而使得根據(jù)m量子位的輸入狀態(tài)控制量子 程序Ui的操作；量子程序附加單元，通過(guò)把量子程序L和R附加到量子程序CU產(chǎn)生量子程 序G ；量子程序模糊化單元，通過(guò)使量子程序G模糊化產(chǎn)生與公鑰對(duì)應(yīng)的量子程序P ；逆量 子程序產(chǎn)生單元，產(chǎn)生與對(duì)應(yīng)于量子程序CU的么正運(yùn)算CU的厄密共軛GUt對(duì)應(yīng)的量子程 序CUT、以及與所述么正運(yùn)算R的復(fù)共軛對(duì)應(yīng)的量子程序；和量子程序連接單元，通 過(guò)連接量子程序GUi和量子程序R *產(chǎn)生與所述私鑰對(duì)應(yīng)的量子程序S ；和解密單元，通過(guò)使用量子計(jì)算機(jī)，通過(guò)把使用與所述公鑰對(duì)應(yīng)的量子程序P而產(chǎn)生的 加密的量子狀態(tài)輸入到與所述私鑰對(duì)應(yīng)的量子程序S，計(jì)算原始量子狀態(tài)。
11.一種密鑰產(chǎn)生方法，包括以下步驟產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)；基于在產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)的步驟中產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)，產(chǎn)生分別與對(duì)應(yīng)于η量子位的m種類型的 幺正運(yùn)算Ui以及對(duì)應(yīng)于m量子位的兩種類型的么正運(yùn)算L和R對(duì)應(yīng)的量子程序U”L和R， 其中i = 1至m ；產(chǎn)生量子程序CU，該量子程序CU的控制被使能從而使得根據(jù)m量子位的輸入狀態(tài)控制 量子程序Ui的操作；通過(guò)把量子程序L和R附加到量子程序CU產(chǎn)生量子程序G ；通過(guò)使量子程序G模糊化產(chǎn)生與公鑰對(duì)應(yīng)的量子程序P ；產(chǎn)生與對(duì)應(yīng)于量子程序⑶的么正運(yùn)算⑶的厄密共軛ClJhi應(yīng)的量子程序CUt、以及 與所述么正運(yùn)算R的復(fù)共軛R *對(duì)應(yīng)的量子程序R * ；以及通過(guò)連接量子程序GUi和量子程序R *產(chǎn)生與私鑰對(duì)應(yīng)的量子程序S。
12.—種加密方法，包括以下步驟通過(guò)使用量子計(jì)算機(jī)產(chǎn)生an量子位的最大糾纏態(tài)；以及通過(guò)使用量子計(jì)算機(jī)并把在產(chǎn)生ail量子位的最大糾纏態(tài)的步驟中產(chǎn)生的ail量子位的 最大糾纏態(tài)之中的m量子位的量子狀態(tài)和要發(fā)送的η量子位的量子狀態(tài)輸入到由密鑰產(chǎn)生 裝置產(chǎn)生的與公鑰對(duì)應(yīng)的量子程序P來(lái)計(jì)算加密的量子狀態(tài)，該密鑰產(chǎn)生裝置包括隨機(jī) 數(shù)產(chǎn)生器，產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)；量子程序產(chǎn)生單元，基于通過(guò)使用隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)，產(chǎn) 生分別與對(duì)應(yīng)于η量子位的m種類型的么正運(yùn)算仏以及對(duì)應(yīng)于m量子位的兩種類型的幺正 運(yùn)算L和R對(duì)應(yīng)的量子程序仏、L和R，其中i = 1至m ；量子程序控制使能單元，產(chǎn)生量子程序CU，該量子程序CU的控制被使能從而使得根據(jù)m量子位的輸入狀態(tài)控制量子程序Ui 的操作；量子程序附加單元，通過(guò)把量子程序L和R附加到量子程序CU產(chǎn)生量子程序G ；和 量子程序模糊化單元，通過(guò)使量子程序G模糊化產(chǎn)生與公鑰對(duì)應(yīng)的量子程序P。
13. 一種解密方法，包括以下步驟通過(guò)使用量子計(jì)算機(jī)并把通過(guò)使用與公鑰對(duì)應(yīng)的量子程序P產(chǎn)生的加密的量子狀態(tài) 輸入到由密鑰產(chǎn)生裝置產(chǎn)生的與私鑰對(duì)應(yīng)的量子程序S來(lái)計(jì)算原始量子狀態(tài)，該密鑰產(chǎn)生 裝置包括隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器，產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)；量子程序產(chǎn)生單元，基于通過(guò)使用隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器產(chǎn) 生的隨機(jī)數(shù)，產(chǎn)生分別與對(duì)應(yīng)于η量子位的m種類型的么正運(yùn)算Ui以及對(duì)應(yīng)于m量子位的 兩種類型的么正運(yùn)算L和R對(duì)應(yīng)的量子程序U”L和R，其中i = 1至m;量子程序控制使能 單元，產(chǎn)生量子程序CU，該量子程序CU的控制被使能從而使得根據(jù)m量子位的輸入狀態(tài)控 制量子程序Ui的操作；量子程序附加單元，通過(guò)把量子程序L和R附加到量子程序CU產(chǎn)生 量子程序G ；量子程序模糊化單元，通過(guò)使量子程序G模糊化產(chǎn)生與公鑰對(duì)應(yīng)的量子程序P ； 逆量子程序產(chǎn)生單元，產(chǎn)生與對(duì)應(yīng)于量子程序cu的么正運(yùn)算cu的厄密共軛GlJhi應(yīng)的量 子程序CUi、以及與所述么正運(yùn)算R的復(fù)共軛R *對(duì)應(yīng)的量子程序R * ；和量子程序連接單 元，通過(guò)連接量子程序CUi和量子程序R *產(chǎn)生與私鑰對(duì)應(yīng)的量子程序S。
全文摘要
本發(fā)明涉及量子公鑰加密系統(tǒng)、密鑰產(chǎn)生方法、加密方法和解密方法。提供了一種密鑰產(chǎn)生裝置，該密鑰產(chǎn)生裝置基于產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生分別與對(duì)應(yīng)于n量子位的m種類型的幺正運(yùn)算Ui以及對(duì)應(yīng)于m量子位的兩種類型的幺正運(yùn)算L和R對(duì)應(yīng)的量子程序Ui、L和R，產(chǎn)生使能其控制的量子程序CU從而根據(jù)所述m量子位的輸入態(tài)控制量子門Ui的操作，通過(guò)把量子門L和R加到量子門CU產(chǎn)生量子門G，通過(guò)使量子門G模糊化產(chǎn)生公鑰P，產(chǎn)生量子門和量子門R＊，通過(guò)連接量子門和量子門R＊產(chǎn)生私鑰S。
文檔編號(hào)H04L9/32GK102104479SQ201010557559
公開日2011年6月22日 申請(qǐng)日期2010年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月16日
發(fā)明者田中雄 申請(qǐng)人:索尼公司