一种基于搜索算法的量子投票方法

本发明涉及量子通信领域，具体涉及一种基于搜索算法的量子投票方法。

背景技术：

1、量子通信相比目前所通用的经典通信方式有其更好的优势，比如无条件的安全性、更大的信道容量等等。该通信方式已逐步从理论走向实用化、商用化。相比目前基于强光的光纤通信，极微弱光是量子通信中较为实用的一种载波形式。利用量子通信的无条件安全性，可解决、改进一些实际中常用的协议，例如，基于量子纠缠理论的极微弱光投票方案就是一个实际应用协议。

2、通常，一个普通的可验证投票系统应该是由相关方所连接并且对外界开放的一个系统。目前所采用的经典的投票方案一般是由各投票者共享并且其安全性是基于数学问题的经典信息来确保其安全性[1]，因此从理论上其安全性是相对脆弱的。随着近来基于极微弱光的光量子纠缠研究的发展，一些研究者基于物理特性，即利用粒子的纠缠相关性进行传输，研究了其在光量子投票中的应用[2，3]，使所得的投票方案具有基于量子力学的安全性和匿名性。目前，已经有一些研究者主要致力于对单个候选人和单个投票目标投票的方面。极微弱光投票方案的研究，例如在文献[2]中提出了一般性遍历式投票方案，并对其投票和验证过程做了初次研究。此后又在文献[4]中，yuta.okubo等人在实验上实现了选举方案。此外，在海量目标内进行搜索的grover算法也可用于投票系统中[5]，以便更快找到满意的目标。

3、随着传统密码算法的不断改进，这对经典通信带来安全挑战。此外，对于上述基于微弱光量子的投票方案，主要集中在对单个候选人和单个投票目标投票情况的研究。但是在一些实际场合中，例如电子选举，或者在网络中选出最热销和流行的图书等等，人们总是要在大量的数据库中选出有意愿的对象并进行投票，这时候单个投票者需要对多个不同的候选对象进行投票。因此，目前所提出的基于量子信息的投票协议有其局限性。

4、[1]chaum d.，untraceable electronic mail，return addresses，and digitalpseudonyms，commun.acm，1981，24，84-92.

5、[2]vaccaro j.a.，joseph spring，and anthony chefles，quantum protocolsfor anonymous voting and surveying，phys.rev.a，2007，75，012333-012340.

6、[3]hillery m.，ziman m.，buzek v.and bielikova m.，towards quantum-basedprivacy and voting，phys.lett.a，2006，349，75-81.

7、[4]okubo y.，wang x.b.，tani s.and tomita a.，experimental demonstrationof quantum leader election in linear optics，phys.rev.a，2008，77，032343.

8、[5]long g.l.，grover algorithm with zero theoretical failure rate，phys.rev.a，2001，64，022307-022311.

技术实现思路

1、本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，根据原有经典和已提出的光量子投票方案的不足，该专利针对更大的适用范围，将搜索算法创造性的应用到投票协议中来，使其在海量的投票者中通过针对多个投票目标进行分布式投票。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种基于搜索算法的量子投票方法，采用可信赖的分发中心以及计票方进行实施，对于涉及k个投票者n个被选目标的投票过程，包括以下步骤：

3、s1：采用光源制备微弱光，并在分发中心对光子进行状态调制，得到携带多方投票量子系统的多个纠缠对；

4、s2：分发中心将各纠缠对中的一个光子分别发送至各投票者，并保留其余光子；

5、s3：各投票者通过量子grover搜索算法搜索从n个被选目标中进行选取，并根据选中的被选目标，采用相应的相位转换算符对投票者持有的光子进行作用；

6、s4：各所述投票者以及分发中心将各自持有的光子传输至计票方，计票方根据特征值计算各被选目标的得票数。

7、本发明进一步改进在于：步骤s1制备微弱光的过程中，基于激光衰减器，产生通过剧烈衰减的激光，使其平均每个脉冲含有大约0.1个光子以模拟单光子源，从而达到极微弱光。

8、本发明进一步改进在于：步骤s1制备微弱光的过程中，激光器的工作波长为1300nm。

9、本发明进一步改进在于：步骤s1对光子进行状态调制的过程具体包括：分发中心基于相位编码协议，通过mach-zehnder干涉仪实现单光子干涉实现光子的状态调制，最终得到k个光子纠缠对其携带的多方投票量子系统的表达式为其中表示第i个光子纠缠对。

10、本发明进一步改进在于：步骤s2中，分发中心通过1×k激光分束器将光子分别发送给投票者v1……vk，并保留其余的光子。

11、本发明进一步改进在于：步骤s3中，各投票者通过量子grover搜索算法搜索从n个被选目标中进行选取具体包括：各投票者利用多目标搜索算符qn对自己持有的光子表现的量子态|a>＝sinφ|α>+cosφ|β>实施运算，其中|α>＝|τ>，且|τ>是n个被选目标中所选的|τ1>…|τn>；各投票者以概率pn＝cos2(rnφ-μ)获得其代表第n个被选目标的量子态|τn>，这里

12、本发明进一步改进在于：投票者k采用的相位转换算符的表达式为：

13、m(k)＝exp(iθn)

14、其中：θn＝2nπ/n；

15、投票过程被形式化的对应关系为：

16、

17、k个投票者投票后：

18、

19、其中：此时k个投票者v1……vk所在的节点和分发中心所在的节点共享的量子态为：

20、

21、本发明进一步改进在于：步骤s4中，作用于共享的量子态的多光子计票算符是：

22、

23、其中：

24、

25、所有被选目标的得票数可以由数学期望得到。

26、本发明提供的方案具有以下技术效果：本发明提出了相比经典投票系统具有无条件安全性；同时对已提出的无条件安全投票系统进行改进，使其能够进行多目标投票，且利用grover搜索算法进而提高了搜索效率。

技术特征：

1.一种基于搜索算法的量子投票方法，采用可信赖的分发中心以及计票方进行实施，对于涉及k个投票者n个被选目标的投票过程，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于搜索算法的量子投票方法，其特征在于：步骤s1制备微弱光的过程中，基于激光衰减器，产生通过剧烈衰减的激光，使其平均每个脉冲含有大约0.1个光子以模拟单光子源，从而达到极微弱光。

3.根据权利要求2所述的一种基于搜索算法的量子投票方法，其特征在于：步骤s1制备微弱光的过程中，激光器的工作波长为1300nm。

4.根据权利要求1所述的一种基于搜索算法的量子投票方法，其特征在于：步骤s1对光子进行状态调制的过程具体包括：分发中心基于相位编码协议，通过mach-zehnder干涉仪实现单光子干涉实现光子的状态调制，最终得到k个光子纠缠对其携带的多方投票量子系统的表达式为其中表示第i个光子纠缠对。

5.根据权利要求4所述的一种基于搜索算法的量子投票方法，其特征在于：步骤s2中，分发中心通过1×k激光分束器将光子分别发送给投票者v1……vk，并保留其余的光子。

6.根据权利要求4所述的一种基于搜索算法的量子投票方法，其特征在于，步骤s3中，各投票者通过量子grover搜索算法搜索从n个被选目标中进行选取具体包括：各投票者利用多目标搜索算符qn对自己持有的光子表现的量子态|a>＝sinφ|α>+cosφ|β>实施运算，其中|α>＝|τ>，且|τ>是n个被选目标中所选的|τ1>...|τn>；各投票者以概率pn＝cos2(rnφ-μ)获得其代表第n个被选目标的量子态|τn>，这里

7.根据权利要求6所述的一种基于搜索算法的量子投票方法，其特征在于，投票者k采用的相位转换算符的表达式为：

8.根据权利要求7所述的一种基于搜索算法的量子投票方法，其特征在于，步骤s4中，作用于共享的量子态的多光子计票算符是：

技术总结
本发明公开了一种基于搜索算法的量子投票方法，采用可信赖的分发中心以及计票方进行实施，对于涉及K个投票者N个被选目标的投票过程，包括以下步骤：S1：采用光源制备微弱光，并在分发中心对光子进行状态调制，得到携带多方投票量子系统的多个纠缠对；S2：分发中心将各纠缠对中的一个光子分别发送至各投票者，并保留其余光子；S3：各投票者通过量子Grover搜索算法搜索从N个被选目标中进行选取，并根据选中的被选目标，采用相应的相位转换算符对投票者持有的光子进行作用；S4：各所述投票者以及分发中心将各自持有的光子传输至计票方，计票方根据特征值计算各被选目标的得票数。

技术研发人员：李渊
受保护的技术使用者：上海电机学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15