【科研进展】基于玻色采样的密码学单向函数实验验证

近期，上海交通大学物理与天文学院金贤敏研究组依托飞秒激光直写技术制备三维光子芯片对基于玻色采样的量子加密算法应用进行了研究。通过实验证实了利用粗粒度玻色采样实现单向加密函数这一方案的可行性，开拓了玻色采样用于量子加密算法的实验研究先例，相关研究工作近期以“Experimental Boson Sampling Enabling Cryptographic One-Way Function”为题发表在《Physical Review Letters》上。

玻色采样是一个展示量子计算优越性的代表性专用量子算法，自2012年Scott Aaronson和Alex Arkhipov提出玻色采样算法以来，在不同物理体系和实验平台上得以实验验证，展示了相较于经典计算机算力的巨大优势。近年来，学界纷纷尝试运用玻色采样对求解特定高计算复杂度问题的优势，探索玻色采样在高速采样、图问题求解等领域的实际应用，但如何实现玻色采样在密码学方向的应用鲜有报道。

图：基于玻色采样的单向加密函数

在这项工作中，研究团队首次实验演示了一个基于玻色采样机的密码学单向函数问题。该函数使用粗粒度玻色采样来实现，使用飞秒激光直写技术制备了粗粒度玻色抽样所需的玻色采样芯片，并且通过该芯片实现从给定的输入状态到相应的输出状态的采样过程，采样结果被验证为适合进行加密这一用途，相较于经典加密算法具有很高的安全性，为探索基于玻色采样的密码学其他应用奠定了基础。

图：玻色采样实现单向加密的算法流程示意图

研究团队发现，实现本文中提出的基于玻色采样的单向函数加密法只需要适度的样本大小，并且当有足够数量的光子作为输入时，非玻色采样器无法得到同样的输出结果。因此，该函数能够满足信息安全的要求。此外，该函数的对称性质使其能够抵御一些攻击（例如碰撞攻击和二次攻击），从而保护信息和数据免受非法访问。

图：通过玻色采样实验实现最概然事件的估计，从而实现量子单向加密函数

这项实验结果为进一步研究玻色采样在密码学领域的应用奠定了基础。基于玻色采样的密码学单向函数的方案为加密系统增加了安全性，随着量子计算硬件性能的发展，该项技术能够更好地部署到大规模实际场景中，保护个人信息数据的完整和安全。

论文第一作者为上海交通大学物理与天文学院的博士研究生王潇卫，通讯作者为上海交通大学金贤敏教授、以及希腊希腊研究和技术基金会（FORTH）的 G.M. Nikolopoulos博士。合作者包括上海交通大学物理与天文学院的博士研究生周文豪、付宇轩等。研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金委员会、上海市科学技术委员会、上海市教育委员会、中国博士后科学基金会等项目的资助。

论文链接

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.060802

图文编辑：刘真

责任编辑：叶丹、朱敏

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