Quantum homomorphic encryption (QHE) is an encryption method that allows quantum computation to be performed on one party's private data with the program provided by another party, without revealing much information about the data nor about the program to the opposite party. It is known that information-theoretically-secure QHE for circuits of unrestricted size would require exponential resources, and efficient computationally-secure QHE schemes for polynomial-sized quantum circuits have been constructed. In this paper we first propose a QHE scheme for a type of circuits of polynomial depth, based on the rebit quantum computation formalism. The scheme keeps the restricted type of data perfectly secure. We then propose a QHE scheme for a larger class of polynomial-depth quantum circuits, which has partial data privacy. Both schemes have good circuit privacy. We also propose an interactive QHE scheme with asymptotic data privacy, however, the circuit privacy is not good, in the sense that the party who provides the data could cheat and learn about the circuit. We show that such cheating would generally affect the correctness of the evaluation or cause deviation from the protocol. Hence the cheating can be caught by the opposite party in an interactive scheme with embedded verifications. Such scheme with verification has a minor drawback in data privacy. Finally, we show some methods which achieve some nontrivial level of data privacy and circuit privacy without resorting to allowing early terminations, in both the QHE problem and in secure evaluation of classical functions. The entanglement and classical communication costs in these schemes are polynomial in the circuit size and the security parameter (if any).


翻译:量子同态加密(QHE)是一种加密方法,允许在一方提供的程序下对另一方的私有数据进行量子计算,同时不向对方泄露数据或程序的过多信息。已知对于无规模限制的电路,信息论安全的QHE需要指数级资源,而针对多项式规模量子电路的高效计算安全QHE方案已被构建。本文首先基于rebit量子计算形式化,提出一种适用于多项式深度特定类型电路的QHE方案。该方案能完全保护受限类型数据的安全。随后,我们提出一种适用于更广泛多项式深度量子电路的QHE方案,该方案具有部分数据隐私性。两种方案均具备良好的电路隐私性。我们还提出一种具有渐近数据隐私性的交互式QHE方案,但其电路隐私性较差,即提供数据的一方可能通过欺骗手段获知电路信息。我们证明此类欺骗行为通常会影响计算的正确性或导致协议执行偏差,因此在嵌入验证机制的交互式方案中,对方可检测到欺骗行为。此类带验证的方案在数据隐私性方面存在轻微缺陷。最后,我们展示了一些方法,在QHE问题及经典函数的安全计算中,无需依赖提前终止机制即可实现非平凡水平的数据隐私与电路隐私。这些方案中的纠缠态与经典通信成本在电路规模和安全参数(若存在)上均为多项式级别。

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