针对加密技术领域乘法运算的量子逻辑电路的构造方法
【专利摘要】本发明公开了一种针对加密技术领域乘法运算的量子逻辑电路的构造方法，包括以下步骤：构造基础模块：采用量子逻辑电路中的基本控制非门和交换门作为基础电路的构造门库，并将构造后的基本电路封装成U器件，实现加法与乘法的运算；搭建高级电路模块。本发明采用了可逆逻辑设计，功耗和电磁场的行为属性无法都通过传统方式得到，可以有效防止边信道攻击方法的攻击，大大降低了被非法破取的可能性；加密技术的加密效果更优，电路的可逆性可以使加密效果达到2n！的逻辑综合的优点。
【专利说明】
针对加密技术领域乘法运算的量子還辑电路的构造方法
技术领域
[0001] 本发明属于量子信息科学技术领域。特别设及一种针对特定运算的量子逻辑电路 的构造方法。
【背景技术】
[0002] 信息的窃取与保密是信息社会中永恒的话题，如何设计出加密效果好并且加密成 本少的加密技术或算法一直是加密技术领域一直所研究的问题，而通过查阅资料发现，现 在的加密技术，大多是基于数学难题，通过增加加密算法的复杂度，增加破译的难度和时 间。而如何设计出加密效果好，或者加密所需时间少的加密算法就成了大家所统一关屯、的 问题。
[0003] 云计算安全联盟(CSA)近期发布的报告总结了9种威胁云计算安全的"罪魅祸首"。 在运其中，数据泄露、数据丢失和数据劫持位列前=，成为当下，云时代最大的威胁。
[0004] 目前的加密算法面临着许多威胁，黑客利用边信道Side-Channel)攻击方法进行 攻击。边信道攻击方法主要集中在功耗攻击、电磁场攻击和时间攻击。其中功耗攻击是最强 有力的手段之一，包括简单功耗分析攻击(Simple化wer Analysis attacks,SPA)和差分 功耗分析攻击化ifferential Power Analysis attacks,DPA)，与传统密码分析学相比，运 些攻击手段攻击效果显著。边信道攻击所需要的设备成本低、攻击效果显著，严重威胁了密 码设备的安全性。尤其在云服务数据库设计不当的情况下，安全隐患更大，哪怕某一个用户 的应用程序只存在一个漏桐，都可W让攻击者获取运个用户的数据，而且还能获取其他用 户的数据。
[0005] 量子基本口；
[0006] 1、控制非n (CNOT口）：如图1所示，此为一个最基本的控制非口，有一个控制位和 一个目标位。当控制位为0时，目标位的值保持不变;当控制位为1时，目标位的值进行翻转。 它的作用可W表达为把|A，B>转换为|a，b?a>d(?为异或运算）。控制非口（n)的符号表 示和真值表如图1、表1所示：
[0007] 表 1
[000引
[0011]
[0009] 2、交换口（SWAPn):它的作用就是使它作用的量子口的输出值互换，如图2所示， 即将输入值IA〉与IB〉互换，真值表见表2[0010] 表2
[0012]
【发明内容】
[0013] 在下文中给出关于本发明的简要概述，W便提供关于本发明的某些方面的基本理 解。应当理解，运个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键 或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是W简化的形式给出某些概念，W 此作为稍后论述的更详细描述的前序。
[0014] 本发明的目的：为了克服因功耗分析而导致的数据泄露问题，基于加密技术中的 部分运算，提出了采用可逆量子电路进行搭建，由于采用的是可逆逻辑设计功耗和电磁场 的属性行为无法通过传统方式得到，可W有效防止边信道攻击方法的攻击。
[0015] -种针对加密技术领域乘法运算的量子逻辑电路的构造方法，包括W下步骤：
[0016] 首先进行基础电路模块的构造:采用量子逻辑电路中的基本控制非口和交换口作 为基础模块电路的构造口库。
[0017] 1、基础模块构造
[0018] 采用量子逻辑电路中的基本控制非口和交换口作为基础电路的构造口库，
[0019] 加密算法中大多数运算都是基于伽罗瓦域，其中做常见的操作莫过于加法与乘 法，两个数的相加即为两个数的异或，可W采用量子基本口控制非口来完成，目标位的输出 即为数据之间相互异或后的结果。
[0020] 因为是基于GF(28)，所W基础电路采用8根量子线，令相应的二进制输入数据分别 为bybsbsbAbsbsbibo,即该二进制数为bybsbsbAbsbsbibo,实现定义在GF(2 8)上最基本的乘W 00000010的运算，一定意义上第一步相当于循环左移一位，当移位后的结果最低位为1时， 再和OOOl 1010进行异或运算，可W用如下逻辑表达式表示：
[0021]
[0022] 具体步骤如下：
[0023] Stepl:实现循环左移操作，利用交换口可W实现数据互换运样的功能，通过多次 使用交换口来实现二进制数各位依次左移的操作。除最高位外，其余各位依次左移，移动总 频数为7,原最高位此时变为了最低位，利用控制非口，控制位为1时，目标位反转，控制位为 O时，目标位不变，搭建3个目标位基于第2、4、5根线的控制非口，来实现当b7=l时，与 OOO11010进行异或，b7 = O时，直接输出移位后的结果。至此，基础电路搭建完毕，见图4，输 出结果C7C6C日C4C3C2C1C0即为一个数与00000010与bybsb日bAshshibo相乘的结果。运是最基本 的乘2运算，为了便于后续高级电路的构造算法的描述，我们将此电路封装成U器件，见图5; 8 = 676613日64636213113日，〔=。7。6(3日。4。3。2(31(3日，而在后续的电路搭建中，会频繁地使用运种电路 器件
[0024] 2、高级电路搭建
[0025] 1):定义两个输入数据分别为化、比价化与化的大小
[0026] 2):选取其中较小者，记为Dmin,选取其中较大者，记为Dmax,对Dmin进行不断地模二 取余，转换成二进制数并写出该二进制数对应的加权系数展开式，即：
[0027] Dmin = dn-iX2n-i+……+diX2^ + d〇X2° (die{〇,l},ieN)
[0028] 3 ):分析研究Dmin的加权系数展开式，从Dmin系数较小值开始，一次进行检索扫描， 逐步搭建量子电路，若W2为权的系数为0,则一定意义上相当于没有进行任何运算，仍是其 本身，直接输出即可，不需要用到电路器件U，若指数大于等于1，则需要用到电路器件U，已 知一个U代表最基本的乘二运算，按照指数由低到高，若系数为1，则需要一个U，依次类推， 若指数为n-1，则需要n-1个U
[0029] 4):搭建16根线的量子电路，每8根线做一个封装，例，如图6所示，类似运种有规律 的由控制非口组成的电路，该电路简化成图7所示电路，运时，控制位作用于目标位，可W实 现 =欠 --欠 -(人,/^/^.;欠 -.;欠 -|/：。货、'、'(,、':.、'、'].、一,、'。的异或操作；
[0030] 5):封装后的两根线分别定义为LcontrDl, Ltarget,封装前的16根量子电路我们分别 定义为li-cDntrDl，li-target，ie{〇，l……，7 }，各控制非口的目标位与控制位都相应地在 li-control和li-target上。在Lcon付。1端我们输入DmaxJi-target端我们输入辅助比特|0〉，如图8是一 个最基本的高级电路图，在i处的结果即为DmaxX2,当通过控制非口的时候，经过控制非口 的作用，会从L *3^61;端输出比特0与Dmax X 2的异或结果；
[0031 ]本发明与现有技术相比具有W下优点：
[0032] 采用了可逆逻辑设计，功耗和电磁场的行为属性无法都通过传统方式得到，可W 有效防止边信道攻击方法的攻击，大大降低了被非法破取的可能性；
[0033] 加密技术的加密效果更优，电路的可逆性可W使加密效果达到化!的逻辑综合，若 非法用户想通过时间攻击难上加难。
【附图说明】：
[0034] 图1为非口结构示意图；
[0035] 图2为交换口结构示意
[0036] 图3为流程图；
[0037] 图4为量子逻辑电路U内部结构图；
[0038] 图5为U器件符号表示图；
[0039] 图6为16线量子电路图
[0040]图7为16线简化量子电路图 [0041]图8为最基本的局级电路图；
[00创图9为Dmin =14示例图
【具体实施方式】：
[0043] 为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例及附图对本发明作进一步详述，该 实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
[0044] 本发明设及一种针对加密技术领域乘法运算的量子逻辑电路的构造方法的具体 实施方式，包括W下步骤：
[0045] 1、首先进行基础电路模块的构造:采用量子逻辑电路中的基本控制非口和交换口 作为基础模块电路的构造口库，基础模块构造：
[0046] 采用量子逻辑电路中的基本控制非口和交换口作为基础电路的构造口库，加密算 法中大多数运算都是基于伽罗瓦域，其中做常见的操作莫过于加法与乘法，两个数的相加 即为两个数的异或，可W采用量子基本口控制非口来完成，目标位的输出即为数据之间相 互异或后的结果，由于是基于GF(2 8)，所W基础电路采用8根量子线，令相应的二进制输入 数据分風!为bybsbstHbsbsbibo，即该二进制数为bybsbsbAbsbsbibo，实现定义在GF( 2?)上最基本 的乘W00000010的运算，一定意义上第一步相当于循环左移一位，当移位后的结果最低位 为1时，再和OOOl 1010进行异或运算，可W用如下逻辑表达式表示：
[0047]
[004引具体步骤如下：
[0049] 1):实现循环左移操作，利用交换口可W实现数据互换运样的功能，通过多次使用 交换口来实现二进制数各位依次左移的操作。除最高位外，其余各位依次左移，移动总频数 为7,原最高位此时变为了最低位，利用控制非口，控制位为1时，目标位反转，控制位为0时， 目标位不变，搭建3个目标位基于第2、4、5根线的控制非口，来实现当b7=l时，与00011010 进行异或，b7 = 0时，直接输出移位后的结果。至此，基础电路搭建完毕，见图4,输出结果 C7C6C5C4C3C2"C0即为一个数与00000010与bybsbsb&sbsbibo相乘的结果。运是最基本的乘2运 算，为了便于后续高级电路的构造算法的描述，将此电路封装成U器件，见图5;
[0化0] 在此处，B = b7b6b日646362131130,〔=。7。6(3日。4。3。2(31(30,而在后续的电路搭建中，会频繁 地使用运种电路器件 [0化1] 2、高级电路搭建：
[0052] 1):定义两个输入数据分别为化、比价化与化的大小
[0053] 2):选取其中较小者，记为Dmin,选取其中较大者，记为Dmax,对Dmin进行不断地模二 取余，转换成二进制数并写出该二进制数对应的加权系数展开式，即
[0054] Dmin = dn-lX2n-l+……+diX2^〇X2° (die{〇,l},ieN)
[0055] 3 ):分析研究Dmin的加权系数展开式，从Dmin系数较小值开始，一次进行检索扫描， 逐步搭建量子电路，若W2为权的系数为0,则一定意义上相当于没有进行任何运算，仍是其 本身，直接输出即可，不需要用到电路器件U，若指数大于等于1，则需要用到电路器件U，已 知一个U代表最基本的乘二运算，按照指数由低到高，若系数为1，则需要一个U，依次类推， 若指数为n-1，则需要n-1个U
[0056] 4):搭建16根线的量子电路，每8根线做一个封装，例，如图6所示，类似运种有规律 的由梓制非n纽成的由路，巧由路简化成阁7所示由路，这时，控制位作用于目标位，可W实 现
的异或操作。
[0化7] 5):封装后的两根线分别定义为以。血。1山31'如，封装前的16根量子电路我们分别 定义为li-cDntrDl，li-target，ie{〇，l……，7 }，各控制非口的目标位与控制位都相应地在 li-control和li-target上。在Lcon付。1端我们输入DmaxJi-target端我们输入辅助比特|0〉，如图8是一 个最基本的高级电路图，在i处的结果即为DmaxX2,当通过控制非口的时候，经过控制非口 的作用，会从L *3^61;端输出比特0与DmaxX 2的异或结果。
[005引实施例1:令Dmin=H,对14进行模2取余，化为8位二进制数，并给出该二进制数对 应的加权系数展开式得出14 = 23 + 22 + 21，从系数较小者一次进行扫描，首先是DmaxX2l，添 加一个U器件，运时在i处的数据就是DmaxX2l，继续扫描，检测到加号，添加控制非口进行异 或操作，此时ii处的结果仍是DmaxX2l，iii处的结果此时由0变为了 DmaxX2l，继续扫描，又发 现再次添加一个U器件，按照此种方法，依次扫描，直到扫描到最高系数项，iV处的结果 是Dmax X 22，V处的结果为Dmax X 22+Dmax X 21，Vi处的结果是Dmax X 23，最后再通过一个控制非 口完成各部分的异或操作，Vii处的结果即为DmaxX23+DmaxX2 2+DmaxX2l，最终的结果通过 Ltarget端输出，见图9。
[0059] 本发明抽象出了一种量子电路的构造方法，对于加密技术领域中常见的运算进行 了分析与研究，提出了一套针对加密算法中常用运算的电路构造算法。
[0060] 本发明采用了可逆逻辑设计，功耗和电磁场的行为属性无法都通过传统方式得 到，可W有效防止边信道攻击方法的攻击，大大降低了被非法破取的可能性。
[0061 ]此外，相较于目前的加密算法，本发明的加密技术的加密效果更优，众所周知，任 何传统的加密算法只要有足够的时间，都可W被破解掉，尤其在量子计算机出现之后，出于 量子计算机强大的计算能力，传统意义上的经典加密算法将受到严重威胁。运是唯一能与 量子计算机对抗的只有一种技术，量子加密技术。而此加密算法中乘法运算所设计出的可 逆量子逻辑电路，电路的可逆性可W使加密效果达到化!的逻辑综合，若非法用户想通过时 间攻击难上加难。
[0062] 基于量子电路的加密技术，由于采用的是可逆逻辑设计功耗和电磁场的属性行为 无法通过传统方式得到，可W有效防止边信道攻击方法的攻击。
[0063] 提出量子逻辑电路的构造算法，有效针对云计算数据丢失运一威胁，可W随机生 成有限的量子电路;就本地而言，可W在不同的时间更新电路可W随机生成有限的量子电 路;就本地而言，可W在不同的时间更新电路。
[0064] 采用量子可逆逻辑电路，可达到化!的逻辑综合，时间攻击可望不可即。
[0065] 最后应说明的是：虽然W上已经详细说明了本发明及其优点，但是应当理解在不 超出由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可W进行各种改变、替代和 变换。
[0066] 而且，本发明的范围不仅限于说明书所描述的过程、设备、手段、方法和步骤的具 体实施例。
[0067] 本领域内的普通技术人员从本发明的公开内容将容易理解，根据本发明可W使用 执行与在此所述的相应实施例基本相同的功能或者获得与其基本相同的结果的、现有和将 来要被开发的过程、设备、手段、方法或者步骤。
[0068]因此，所附的权利要求旨在在它们的范围内包括运样的过程、设备、手段、方法或 者步骤。
【主权项】
1. 一种针对加密技术领域乘法运算的量子逻辑电路的构造方法，其特征在于:包括W 下步骤： 一、 构造基础模块:采用量子逻辑电路中的基本控制非口和交换口作为基础电路的构 造口库，由于是基于GF(28)，所W基础电路采用8根量子线，令相应的二进制输入数据分别 为bYbsbsbAbsbsbibo,即该二进制数为bYbsbsbAbsbsbibo,实现定义在GF(28)上最基本的乘W 00000010的运算，第一步相当于循环左移一位，当移位后的结果最低位为1时，再和 00011010进行异或运算，用如下逻辑表达式表示：具体步骤如下： 实现循环左移操作，利用交换口可W实现数据互换运样的功能，通过多次使用交换口 来实现二进制数各位依次左移的操作，除最高位外，其余各位依次左移，移动总频数为7，原 最高位此时变为了最低位，利用控制非口，控制位为1时，目标位反转，控制位为0时，目标位 不变，搭建3个目标位基于第2、4、5根线的控制非口，来实现当b7=l时，与00011010进行异 或，b7 = 0时，直接输出移位后的结果；至此，基础电路搭建完毕，输出结果C7C6C日C4C3C2C1C0即 为一个数与00000010与b7b6b5b4b3b2bibo相乘的结果，W上为最基本的乘2运算，为了便于后 续高级电路的构造算法的描述，将此电路封装成U器件；B = b7b6b5b4b3b2bibo, C = C7C6C已C4C3C2C1C0,; 二、 搭建高级电路模块： 1)定义两个输入数据分别为化、比价化与化的大小； 2 )选取其中较小者，记为Dmin，选取其中较大者，记为Dmax，对Dmin进行不断地模二取余， 转换成二进制数并写出该二进制数对应的加权系数展开式，即 Dmin=dn-1 X2。-1+……+dlX2^0X2° (die{〇,l},ieN) 3) 分析研究Dmin的加权系数展开式，从Dmin系数较小值开始，一次进行检索扫描，逐步搭 建量子电路，若W2为权的系数为0,则仍是其本身，直接输出即可，不需要用到电路器件U， 若指数大于等于1，则需要用到电路器件U，已知一个U代表最基本的乘二运算，按照指数由 低到高，若系数为1，则需要一个U，依次类推，若指数为n-1，则需要n-1个U; 4) 搭建16根线的量子电路，每8根线做一个封装，控制位作用于目标位，可W实现 r-人人人":人的异或操作； 5) 封装后的两根线分别定义为^。。*,。1，^3^6*，封装前的16根量子电路分别定义为 li-control，li-taaet，i e {〇，1……，7 }，各控制非口的目标位与控制位都相应地在1 i-control和 1 i-target上。在Lcontrol端输入Dmax，1 i-target端我们输入辅助比特I 0〉，在i处的结果即为Dmax X 2， 当通过控制非口的时候，经过控制非口的作用，会从L'target端输出比特0与DmaxX2的异或结 果。
【文档编号】H03K19/20GK105846814SQ201610173780
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月24日
【发明人】管致锦, 姚林霞, 龚雨濛, 陈昱东, 杨阳, 马海英, 程学云, 严杨扬, 李伟文, 顾贺贺
【申请人】南通大学