[发明专利]一种基于量子幂函数混淆的量子加密方法

说明书

本发明提出一种基于量子幂函数混淆的量子加密方法，它包含以下步骤：步骤一：构造量子网络环境；步骤二：发送方Alice构建量子幂函数混淆器O；步骤三：接收方Bob构建量子幂函数解释器δ；步骤四：发送方Alice利用私钥sk和量子幂函数混淆器O生成公钥pk；步骤五：发送方Alice利用量子门和公钥pk对明文消息|m进行加密；步骤六：接收方Bob利用量子门、私钥sk和量子解释器δ对密文消息|μ进行解密。本发明将量子隐形传态应用于量子混淆理论，利用量子隐形传态原理混淆参数量子态。采用量子线性线路等效量子幂函数，根据量子幂函数的功能设计解释器线路，恢复量子幂函数的功能。将量子混淆应用于密钥生成算法中，再利用量子门加解密，为量子混淆的实例化奠定基础。

技术领域

本发明涉及一种基于量子幂函数混淆的量子加密方法，属于网络空间安全技术领域。

背景技术

密码学是网络空间安全领域的重要分支。经典密码学方法大多基于大素数分解问题、有限域上离散对数问题以及椭圆曲线上离散对数问题等数学难题来保证其安全性。随着量子信息技术的快速发展，量子计算机凭借其计算理论推理以及超强的计算和密码破译能力，使得一些经典密码学方法不再安全。因此，量子计算机对经典密码学造成的安全威胁加快了量子密码学的研究和发展，量子密码学逐渐成为密码学研究的重点。

量子密码体系使用量子态作为信息载体，结合密码学的手段和目标，运用量子力学原理保证加密的安全性。1984年，Bennett和Brassard提出了国际上第一个量子密钥分发协议——BB84协议。BB84协议也是第一个无条件安全的量子密码协议，该协议利用单量子态传送对称加密算法的密钥，实现了在经过认证的通信双方之间完全安全的传送经典密钥。随后，量子密码学又相继发展了量子隐形传态、量子秘密共享、量子消息认证、量子签名等新的协议，使得量子密码学理论体系更加丰富。

在众多量子计算与量子密码学原语中，量子混淆是一种非常强的加密形式，可以提高加密方法的安全性与信息的保密性。混淆最初指的是对程序或者代码的混淆，防止用户通过反编译得到程序从而实现逻辑，以达到保护知识产权的目的。量子混淆是基于量子力学原理，利用量子比特保护线路信息，加密线路或函数的功能。对经典混淆的研究方面，2001年，Barak等人首先将混淆的概念引入经典密码学，指出通用虚拟黑盒混淆的不存在性。随后，不可区分混淆、最佳可能混淆等其他弱化形式的混淆模型以及针对点函数混淆、逃避函数混淆等特殊函数的混淆相继被提出。2016年，Alagic等人类比经典混淆的思想，正式定义了量子混淆，提出了量子混淆的首个模型，并阐述了其在量子对称加密、量子非对称加密、量子同态加密以及构造量子货币等诸多密码学方案中的可能性，为后来的量子混淆研究奠定基础。2019年，Shang等人提出了量子点函数混淆方案，并阐述了其在对称加密、零知识与访问控制中的应用。2020年，Alagic等人证明在量子计算机难以进行误差学习的假设下，经典电路的量子虚拟黑盒混淆普遍是不可能的，在依赖经典辅助输入的情况下，即使是经典点函数也不能被量子虚拟黑盒混淆。同年，Broadbent等人提出了构造量子不可区分混淆的方法，并且分别给出了计算安全和统计安全的不可区分混淆方案；而后又提出了基于量子T门线路的不可区分混淆方案。2021年，Bartusek等人证明了在量子随机预言模型下，经典线路的后量子不可区分混淆方案；Balachandran等人又提出了在混合量子经典系统中，利用纠缠量子位来混淆经典控制流的方案。

量子线性线路通常是可逆的，量子线性函数无法满足包括量子单向函数的构造在内的诸多密码学应用中不可逆性的需求，而量子点函数混淆等特殊的非线性函数混淆在应用方面具有局限性，因此，突破量子点函数这种量子非线性函数的限制，给出其他量子非线性函数的混淆方法是十分必要的。目前关于量子非线性函数的研究还属于初期阶段，没有关于量子非线性函数的明确定义。量子幂函数在构造量子算法上有重要应用，在量子混淆理论起步较晚的前提下，构建量子幂函数以及给出其量子混淆方法意义重大。量子幂函数混淆通过加密函数的功能来保证数据和传输的安全性，在量子身份认证、零知识证明方案以及量子加密等诸多网络空间安全相关的技术领域都有重要的应用，本发明将为量子通信网络建设提供行之有效的协议标准和设计准则。

发明内容