量子编译是将复杂算法转换为量子硬件指令的过程，它带来了日益严峻的安全挑战，尤其是在云端量子计算日益普及的背景下。北京航空航天大学和北京量子信息科学研究院的张晨懿、尚涛和郭学毅团队，通过一种优先考虑数据保护的新型编译方案，解决了这一安全漏洞。他们的研究引入了一个框架，该框架在整个编译过程中对量子态进行加密，并刻意模糊电路的底层结构，从而保护了算法的功能和设计。这种基于成熟加密和混淆技术的创新方法，显著增强了编译阶段的安全性，在保持实际性能的同时，显著提升了关键指标，并最大限度地减少了量子计算精度的降低。
云计算对量子电路安全性提出了挑战，因为编译通常发生在云提供商的系统上，这可能会使用户电路面临结构泄漏和可预测输出等风险。为了解决这些问题，研究人员提出了一种新的编译方案 ECQCO，它是第一个专为编译器和量子硬件共存环境设计的安全编译框架。该方法使用量子同态加密来隐藏输出状态，并使用量子不可区分混淆来掩盖电路的内部结构，从而有效地防止逆向工程或篡改。这种创新方法还结合了自适应解耦混淆算法，以进一步增强安全性并优化性能。
用于知识产权保护的量子电路混淆
本研究详细介绍了一种保护量子电路免遭知识产权盗窃和恶意操纵的新方法。随着量子计算机功能日益强大，并可通过云平台访问，它们需要强大的安全措施。由于量子电路的独特性质和易受量子攻击的影响，传统的安全方法已无法应对，因此混淆技术成为一项关键技术。混淆技术将电路转换为功能等效但结构不同的形式，使其难以理解、逆向工程或篡改。本研究的核心贡献在于提出了一个用于混淆量子电路的新框架，利用量子不可区分混淆 (QIO) 技术创建在输入/输出行为上与原始电路无法区分的电路。
混淆过程依赖于建立和验证原始电路与混淆电路之间的等价性，这在量子领域是一项极具挑战性的任务。量子同态加密 (QHE) 用于加密量子数据和运算，从而增加另一层安全性，而矩阵分解技术则可以在保留功能性的同时转换电路。这个综合框架结合了多种技术以实现高水平的安全性，并提供了 QIO 的实用实现以及验证电路等价性的方法。
通过加密和不可区分性实现量子电路混淆
研究人员开发了一种新的量子计算机编译方案，解决了云端访问带来的一个关键安全漏洞。随着量子计算的进步，用户越来越依赖远程量子处理器，这需要将敏感的量子程序设计传输到可能不受信任的环境中。这种名为 ECQCO 的新方法可以在编译过程中保护量子电路，既能保护其功能，又能保障其底层结构的安全。它通过使用量子同态加密来隐藏输出状态，并使用量子不可区分混淆来掩盖电路的内部结构，从而有效地防止逆向工程或篡改，从而实现这种保护。
这与以往的方法不同，这些方法通常假设编译器和量子硬件分离，但这无法反映云系统的实际情况。严格的测试证明了该方案的有效性，安全指标显著提升，评估结果显示其在保护电路完整性方面表现出色。重要的是，ECQCO 在不显著影响性能的情况下实现了这种安全性，电路深度的增加极小，保真度的变化也几乎可以忽略不计。这种安全性与效率之间的平衡对于实际实施至关重要。
通过加密编译实现电路隐私
本研究引入了一种加密状态编译方案，旨在保护编译过程中的量子电路，尤其是在云计算环境中。该方法通过结合量子不可区分混淆和量子同态加密，解决了可能使用户电路面临结构泄漏和输出可预测性等风险的漏洞。这有效地保护了量子电路的功能和内部结构，确保了编译期间的隐私。该团队在安全性和效率之间实现了良好的平衡，在基准数据集上取得了显著的成果，电路复杂度仅略有增加，对保真度的影响也微乎其微。
该方法非常适合近期的量子设备以及量子程序隐私至关重要的场景。未来的工作还应解决用户端结果的可验证性，并探索进一步优化性能的工程机制。这项研究代表着朝着建立对量子计算平台的信任并释放其全部潜力迈出了重要一步。
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