Research Article

Wydajny algorytm kwantowy dla kryptografii postkwantowej

DOI:

10.3791/68934

⸱

November 14th, 2025

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Electronics, Acharya Prafulla Chandra College, Kolkata, India, 2MAKAUT, West Bengal, India, 3Department of Computer Science, Acharya Prafulla Chandra College, Kolkata, India, 4Narula Institute of Technology, West Bengal, India, 5Department of Computer Sciences, College of Computer and Information Sciences, Princess Nourah bint Abdulrahman University, Riyadh, Saudi Arabia, 6Department of Physics, College of Sciences, University of Bisha, Bisha, Saudi Arabia, 7Department of Computer Science and Artificial Intelligence, College of Computing and Information Technology, University of Bisha, Bisha, Saudi Arabia

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Protokół ten opisuje implementację "kryptografii opartej na kodzie" z wyraźnym obwodem kwantowym dla efektywnej kryptografii kwantowej z dużym asymetrycznym kluczem, wykorzystując arytmetykę kwantową z kwantową transformacją Fouriera.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Realizacja komputerów kwantowych mogłaby znacząco wpłynąć na społeczeństwo i globalne bezpieczeństwo na wiele sposobów. Znaczna ilość badań dotyczyła kryptografii kwantowej – maszyn wykorzystujących skomputeryzowane odczucia kwantowe do rozwiązywania problemów matematycznych niedostępnych dla tradycyjnych komputerów. Kwitnąca szósta generacja "komputerów kwantowych" może złamać i zagrozić dużej części obecnej ochrony i gospodarki cyfrowej, ale może też dostarczyć alternatyw kryptograficznych. Dzięki temu możemy efektywniej optymalizować różne procesy, zwiększając efektywność i umożliwiając szybsze symulacje mechaniki kwantowej dla lepszego projektowania leków i materiałów, między innymi. Badania te koncentrują się na implementacji postkwantowego algorytmu kryptograficznego poprzez połączenie mnożenia kwantowego dużej liczby z generatorem liczb losowych kwantowych (QRNG). Podejście kryptograficzne oparte na kodzie, wykorzystujące kwantową transformację Fouriera (QFT), jest stosowane z ogromnym asymetrycznym kluczem w jawnym obwodzie kwantowym, aby ustanowić bezpieczny system komunikacji kwantowej. W tej pracy badawczej "tekst zwykły" (dane klasyczne) został zaszyfrowany za pomocą QRNG za pomocą mnożnika kwantowego przy pomocy arytmetyki kwantowej. W konsekwencji powstałe dane kwantowe z danymi QRNG są przesyłane do odbiorcy przez kanał kwantowy, gdzie dzielnik kwantowy odszyfrowuje ten sam. Ponadto wyniki symulacji IBM Qiskit oraz analiza porównawcza każdego z zamierzonych komponentów z wcześniejszymi pracami i algorytmami sugerują większą odporność i niezawodność proponowanego algorytmu dowodu kwantowego przy analizie dużych urządzeń kwantowych z kubitami. Prace te stanowią cenny kierunek dalszego rozwoju w tej dziedzinie i torują drogę do przyszłych zastosowań obliczeń kwantowych w kryptografii postkwantowej.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Obliczenia kwantowe opierają się na bitach kwantowych (kubitach), które zasadniczo różnią się od bitów klasycznych. Podczas gdy bit klasyczny może istnieć tylko w stanie 0 lub 1, kubit może reprezentować 0, 1 lub dowolną liniową superpozycję obu stanów jednocześnie. Ta właściwość pozwala układom kwantowym przechowywać i przetwarzać ogromną liczbę wartości równolegle, a nie sekwencyjnie. Po pomiarze kubit zapada się do określonego stanu, co daje wynik obliczeniowy. Wrodzony równoległość przetwarzania kwantowego przyspiesza, a szacunki sugerują, że komputery kwantowe mogą przewyższać systemy klasyczne o kilka rzędów wielkości. Takie postępy stanowią poważne wyzwanie dla....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

W tym artykule wykorzystuje algorytm, wykorzystujący arytmetykę kwantową oraz szybką transformację FourieraKwantową 13, do odszyfrowania wiadomości poprzez podzielenie szyfrogramu przez klucz symetryczny. Głównym celem tego badania jest pokazanie kwantowej implementacji kryptografii opartej na symetrycznym kluczu poprzez generowanie losowego klucza, zastosowanie algorytmu mnożenia oraz wykonanie dużej liczby podziałów w środowisku IBMQ v1.7.4. Rysunek 1 przedstawia proces end-to-end implementacji szyfrowania opartego na symetrycznym kluczu. Zakłada się, że symetryczny klucz i szyfrogram są przesyłane z urządzenia ź....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Wszystkie elementy wspomnianego układu (Rysunek 1) zostały zaimplementowane przy użyciu kodu Pythona (Pliki Uzupełniające 1-3) za pomocą IBM Qiskit i wykonane na symulatorze lokalnym oraz IBMQ. Jednak nie są w stanie działać na urządzeniach kwantowych z powodu braku dostępnych kubitów w istniejących urządzeniach kwantowych. Wyjście histogramowe w symulatorach Local i IBM dla wszystkich kluczowych komponentów jest przedstawione poniżej.

<.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Sukces proponowanego protokołu kryptografii kwantowej zależy od trzech kluczowych etapów: generowania liczb losowych kwantowych (QRNG), operacji arytmetycznych kwantowych z wykorzystaniem szybkiej transformacji Fouriera kwantowej (QFFT i QIFFT) oraz tasowania i przetasowania kluczy kwantowych. Etap QRNG ustanawia fundament bezpieczeństwa poprzez generowanie prawdziwie losowych kluczy symetrycznych3. Operacje arytmetyczne, wykonywane przy użyciu kontrolowanych bramek QFFT i odwrotnych QFFT, zapewni.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy nie mają konfliktu interesów.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Prace te były wspierane przez Projekt Wspierający Naukowców Uniwersytetu Księżnej Nourah bint Abdulrahman (PNURSP2025R755), Uniwersytet Księżniczki Nourah bint Abdulrahman w Rijadzie, Arabia Saudyjska. Autorzy są wdzięczni Dziekanowi Studiów Podyplomowych i Badań Naukowych na Uniwersytecie w Biszy za wsparcie tych działań poprzez Program Wsparcia Badań Przyspieszonych.

....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
GPU A100NVIDIAGPU 80G
ibm_brisbaneIBMhttps://quantum.ibm.com/Nadprzewodzący komputer kwantowy z rodziny IBM Quantum Eagle.
python3.10Python Software Foundationhttps://www.python.org/downloads/release/python-3100/
QiskitIBMhttps://www.ibm.com/quantum/qiskitOpen-source SDK do pracy z komputerami kwantowymi na poziomie rozszerzonych obwodów kwantowych, operatorów i prymitywów.

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Quantum cryptography in practice. Elliott, C., Pearson, D., Troxel, G. Proc Conf Appl Technol Archit Protocols Comput Commun, 2003, 227-238 (2003).
  2. Quantum cryptography: Public key distribution and coin tossing. Bennett, C. H., Brassard, G. Proc IEEE Int Conf Comput Syst Signal Process, 1 (1), 175-179 (1984).
  3. Techateerawat, P. A review on quantum cryptography technology. Int Trans J Eng Manage Appl Sci Technol.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Quantum AlgorithmPost Quantum CryptographyQuantum ComputingQuantum CryptographyQuantum Fourier TransformationQuantum Random Number GeneratorQuantum MultiplicationQuantum CircuitQuantum CommunicationIBM Qiskit

Related Articles