Resumen - Esquema de Compilación Cuántica de Estado Encriptado Basado en la Obfuscación de Circuitos Cuánticos

Esquema de Compilación Cuántica de Estado Encriptado Basado en la Obfuscación de Circuitos Cuánticos

2025-07-23 15:23:18

{"Chenyi Zhang","Tao Shang","Xueyi Guo"}

{quant-ph,cs.CR}

Este trabajo de investigación presenta el Esquema de Compilación Cuántica con Estado Encriptado (ECQCO), una nueva aproximación para asegurar circuitos cuánticos durante el proceso de compilación en la computación en la nube cuántica. El esquema aborda riesgos de seguridad potenciales como la filtración estructural y la predicción de salida mediante el uso de técnicas de enmarañamiento de circuitos cuánticos. Aspectos clave de ECQCO: 1. **Enmarañamiento de Circuitos Cuánticos**: ECQCO utiliza el cifrado homomórfico cuántico (QHE) para ocultar estados de salida y el enmarañamiento indistinguible cuántico (QiO) para proteger la estructura del circuito. Esto asegura que tanto la funcionalidad como la topología se mantengan ocultas para partes no autorizadas. 2. **Seguridad y Eficiencia**: El esquema alcanza la seguridad teórica de la información y la indistinguibilidad computacional bajo el modelo de oráculo cuántico aleatorio. Introduce un overhead mínimo en términos de profundidad del circuito y fidelidad, logrando un equilibrio práctico entre seguridad y eficiencia. 3. **Ejecución del Lado del Cliente**: ECQCO se implementa completamente en el lado del cliente, siendo ortogonal a las técnicas de optimización de circuitos existentes y compatible con cualquier compilador actual de la era NISQ. 4. **Enmarañamiento de Salida de Circuitos Cuánticos (QCOO)**: QCOO cifra y descifra datos cuánticos utilizando claves secretas, permitiendo que se ejecuten cálculos cuánticos específicos directamente en el texto cifrado. Se aprovechan las propiedades homomórficas del cifrado QOTP y se utiliza el razonamiento sobre la distribución de probabilidad para la descifrado. 5. **Enmarañamiento de Estructura de Circuitos Cuánticos (QCSO)**: QCSO enmaraña la estructura topológica e información del tipo de gate de un circuito cuántico sin alterar su funcionalidad computacional. Construye equivalencia ∆subpath utilizando subcaminos de bucle y un algoritmo de enmarañamiento desacoplado adaptativo (ADOA) para reducir el overhead y la supresión de errores. 6. **Experimentos**: El documento presenta resultados experimentales en conjuntos de datos de referencia, demostrando la efectividad de ECQCO en alcanzar valores altos de TVD (Distancia de Variación Total) y normGED (Distancia de Edición Normalizada de Grafos), indicando un fuerte enmarañamiento tanto de la salida como de la estructura. También analiza el overhead y la fidelidad, mostrando un impacto mínimo en la profundidad y fidelidad del circuito. 7. **Conclusión**: ECQCO ofrece una solución práctica y segura para proteger circuitos cuánticos durante el proceso de compilación en la computación en la nube cuántica. Su capacidad para equilibrar seguridad y eficiencia lo hace adecuado para aplicaciones de computación cuántica de la era NISQ. En resumen, esta investigación contribuye al campo de la computación cuántica proporcionando una nueva y segura aproximación para proteger circuitos cuánticos durante la compilación, abordando riesgos de seguridad potenciales y mejorando la confiabilidad de las plataformas de computación en la nube cuántica.