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题名SM4密码算法S盒的量子电路优化
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作者
李强
罗庆斌
吕轶
郑圆梦
沈济南
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机构
湖北民族大学智能科学与工程学院
电子科技大学信息与软件工程学院
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出处
《密码学报（中英文）》
CSCD
北大核心
2024年第2期455-465,共11页
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基金
国家自然科学基金(62262020,12164037)
湖北省自然科学基金(2020CFB326)
湖北民族大学研究生科研创新资助项目(MYK2023074)。
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文摘
S盒是SM4密码算法中的重要非线性组件.首先基于复合域理论,将S盒代数表达式中有限域GF(2^(8))中的运算同构到复合域GF((2^(4))2)中的运算,然后使用NCT门库逐步构建并优化各个运算的量子电路,最后综合出完整的S盒量子电路.为降低Toffoli门的使用量,根据GF(24)中乘法计算的代数表达式,选取使用Toffoli门最少的量子电路.为了降低CNOT门的使用量,主要从三方面优化:一是使用最优的CNOT电路综合出4阶矩阵的量子电路;二是采用置换矩阵法以及优化子电路的方式综合出8阶矩阵的量子电路;三是通过先合并计算再综合的思路优化整个S盒中CNOT门的数量.该S盒量子电路使用Qiskit Aer量子模拟器实现,并验证了其正确性.经量子资源分析,该优化的S盒量子电路一共使用了21个量子比特、10个NOT门、152个CNOT门和34个Toffoli门,电路深度为97.Toffoli门数量、总量子逻辑门数量、电路深度等相比已有结果都有较大减少.
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关键词
量子电路
SM4
S盒
复合域
优化
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Keywords
quantum circuit
SM4
S box
composite field
optimization
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分类号
TP309.7
[自动化与计算机技术—计算机系统结构]
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