量子安全隱私計算技術體系研究和應用探索

數字化浪潮下，金融行業作為經濟核心正處于轉型期，同時面臨雙重挑戰。一方面，數據孤島與隱私壁壘阻礙了跨機構協同合作，導致效率低下。從反欺詐角度看，全球詐騙案件數量從2020年的2.66億起攀升至2021年的2.93億起，增長 10.2% ；損失金額從478億美元增長至553億美元，增幅達 15.7% 。我國電信網絡詐騙形勢嚴峻，2020年涉及財產損失達353.7億元[1]。在反洗錢領域，2024年區塊鏈安全事件頻發，共410起，損失金額達20.13億美元[2]。這些數據表明，金融行業在反欺詐與反洗錢方面遭受巨大經濟損失。另一方面，量子計算領域突破性進展正在動搖傳統密碼學根基。據權威研究預測，到2026年，主流公鑰加密體系被量子攻擊破解概率達 14% ，到2031年風險攀升至 50% 。在此嚴峻形勢下，構建覆蓋數據全生命周期的量子安全防御體系，成為金融行業生存與發展的關鍵[3]。

量子信息技術與金融安全深度融合，為數字經濟時代風險防控帶來全新范式。通過量子密鑰分發（QKD）、量子不經意傳輸（QOT）與后量子密碼（PQC）三者協同創新，構建全方位安全體系，從底層通信到上層應用為金融行業提供堅實防護。

面向金融業務的量子安全隱私計算技術架構

金融業務的隱私計算需求呈現出多層次、多模態的特點，涵蓋了從基礎線性運算到復雜非線性模型的整個計算鏈條。然而，傳統的隱私計算方案在應對金融場景時，暴露出兩大核心矛盾。對于線性函數計算，如數據聚合、統計計算等，需要高效的同態加密技術支持。但經典同態算法不僅面臨著無法抵御量子攻擊的風險，而且計算開銷過大，這成為了制約其應用的瓶頸。在非線性函數計算方面，像風險評估、關聯分析等復雜金融模型都依賴多方安全計算協議，然而傳統的不經意傳輸（OT）協議在量子攻擊下，安全性會出現坍塌。為有效應對上述挑戰，研究人員創新性地提出了一套解決方案：如圖1所示，通過分層融合量子密鑰分發（QKD）、量子不經意傳輸（QOT）與后量子密碼（PQC）技術，構建起一個全面且高效的隱私保護體系。該體系具有顯著優勢，是能夠覆蓋從基礎線性運算到復雜非線性模型的全計算范式，能夠為各類計算場景提供可靠的隱私保障。

在處理線性函數的高效加密計算時，傳統安全兩方計算協議通常涉及加法和乘法運算。其中，加法運算在多數方案中可以較為輕松地實現線性處理，而乘法運算則一直是安全多方計算中的核心難題。目前的解決方案主要包括秘密共享和同態加密技術，這兩種方法各有優劣：秘密共享方案計算開銷較低，但通信成本較高；而同態加密方案則相反，通信開銷低，但計算需求大。

為了在量子安全的框架下平衡兩者的優缺點，同態秘密共享（HSS）這種混合方法應運而生。它整合了秘密共享和同態加密的優勢，在安全多方計算環境中實現了計算和通信復雜性之間的平衡。然而，現有的HSS技術主要適用于通用的安全多方計算場景，對于復雜計算場景，如安全兩方矩陣-向量乘法和矩陣-矩陣乘法，還無法提供有效的支持。鑒于這些計算在隱私保護機器學習領域的重要性，擴展HSS技術以適應這些復雜場景顯得尤為關鍵。

S Zhang等（2024）[4]創新性地提出了基于HSS的“矩陣-向量乘法”和“矩陣-矩陣乘法”方案，進一步證明了這一研究方向的重要性和可行性?！督鹑诜雌墼p與大數據風控研究報告（2023）》[2]的設計思路如圖2所示。

圖1 后量子密碼與量子密鑰分發共同構建后量子隱私計算體系

在實現非線性函數的安全多方協作方面，復雜金融模型，如信用評分模型、反洗錢關聯圖譜等，都依賴于非線性函數的隱私計算。以跨機構黑名單比對場景中所需要的隱私集合求交為例，如圖3所示，通過特定的量子不經意傳輸（QOT）協議，利用偏振編碼量子態與哈希承諾機制，重新構建了多方安全計算的基礎算子，進一步支撐雙方在不泄露輸入集的情況下完成交集運算。其安全性僅依賴抗碰撞哈希函數假設，相比經典OT協議所依賴的離散對數假設更為弱化。再結合量子密鑰分發網絡提供的動態密鑰，這一方案能夠抵御量子存儲攻擊，滿足金融數據安全分級指南中的最高隱私保護等級 [5]。

核心協議創新：從理論突破到工程落地

在隱私計算體系中，將后量子高階密碼學原語，如基于格的同態加密、秘密共享和同態秘密共享等，與已有的抗量子不經意傳輸（OT）相結合，能夠顯著拓展功能邊界、優化計算效率并增強安全性。這種結合不僅可以實現兩方隱私計算，還能實現多方隱私計算。

后量子密碼保障數據生命周期安全

在數字化進程不斷加速的當下，數據流通成為釋放數據價值的關鍵驅動力。在這個數據流通的時代，數據存儲、數據共享和數據計算構成了數據價值流轉的核心環節，而針對這些環節設計行之有效的后量子密碼保護方案至關重要。

在數據存儲領域，Kyber[6]、SM3[7]、SM4[8]等方案被廣泛采用。其中，基于格的加法同態加密算法發揮著關鍵作用。該算法依托格密碼學獨特的數學結構，生成能夠抵御量子計算機破解的密鑰。借助這一密鑰，在不泄露數據隱私的前提下，可對加密數據進行加法運算，為數據存儲筑牢安全防線。與此同時，秘密共享技術（SS）的引入進一步強化了數據的隱私保護機制。它將數據分割存儲于不同參與方，只有在滿足一定數量參與方共同協作時，才能還原出原始數據。這種加法同態加密與秘密共享相結合的存儲方案，不僅顯著提升了數據的安全性，還為后續的數據計算工作提供了極大的便利。

在數據共享環節，基于格的代理重加密[9]、屬性加密[10]等先進技術發揮著重要作用。這些技術在充分保障數據隱私的基礎上，實現了數據在不同參與方之間的合理共享。通過精準的權限控制和加密處理，有效平衡了數據的可用性與安全性，確保數據在流通共享過程中的價值得以充分釋放，同時又不危及數據所有者的隱私權益。

在數據計算方面，創新性地融合了基于格的加法同態加密、全同態加密、秘密共享和同態秘密共享四種算法。基于格的加法同態加密算法能夠支持簡單的數據處理任務，為基礎計算提供安全保障；全同態加密技術則突破了傳統加密的限制，可對加密數據進行復雜的算mat一vec mul and mat-mat mul have similar computation logic術計算，涵蓋加法和乘法運算，真正實現了數據“可用不可見”的安全計算模式；秘密共享和同態秘密共享技術通過將數據分割計算，在提升數據安全性的同時，還大幅提高了計算效率。這一綜合性計算方案具備強大的功能，能夠支持各類復雜計算任務，確保在整個計算過程中數據隱私和安全萬無一失。

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圖2 基于OHSS的矩陣向量乘法

QOT在性能和安全性兩方面的突破

基于QKD的BB84協議，創新性地構造了量子不經意傳輸（QOT）協議。該協議具備多方面的優勢。從抗量子攻擊特性來看，密碼技術是隱私計算安全的基石。融合量子信息技術的密碼學假設結構中，不同的假設強度不同，相應的密碼算法或協議可靠性也有所差異。經典的OT協議通?；诠€密碼實現，依賴傳統密碼學假設，在量子計算時代存在明顯的安全隱患，容易受到量子攻擊。而QOT協議，通過使用QKD和對稱密鑰加密構建。如圖4所示，它所基于的密碼學假設比經典OT更弱，甚至比后量子密碼構建的OT協議（PQC- OT）還要弱。這是因為該協議僅需要量子安全的比特承諾方案，此方案依賴于單向置換或抗碰撞性哈希函數，這兩者都屬于無結構的對稱數學問題，量子計算機難以破解，并且單向函數是量子領域中所需的最小假設。因此，從理論分析上，QOT協議具備更強的抗量子安全性。

在安全性方面，相比已有的基于量子通信的QOT研究，該協議采用比特承諾方案，確保了在“存儲—測量”攻擊下協議的安全性。即使惡意的Bob試圖通過量子存儲延遲測量來獲取Alice的全部信息，協議依然安全。此外，該方案采用成熟的BB84協議通信方式，與尚處于實驗階段的糾纏類協議相比，成碼率更高。這不僅能破解比特承諾方案量子通信量消耗大的問題，還能提升QOT協議的性能。而且，借助BB84通信方式對物理層分光攻擊（PNS）的誘騙態協議方案，可避免Bob利用分光攻擊加“存儲—測量”的手段騙取Alice的全部信息，全面保障了QOT協議的安全性。

在量子不經意傳輸組網方面，根據QOT協議的構造原理，底層借助BB84的QKD協議進行量子信道通信，上層應用則通過傳統網絡運行QOT經典協商協議來實現工程落地。但當前QOT通信雙方的地理距離受限于量子通信設備的光纖成碼距離，一般只有幾十公里，僅適用于同城兩節點之間的短距離單向安全多方計算場景，無法滿足安全多方計算中遠距離（跨域）多節點之間的雙向不經意傳輸需求。因此，QOT的跨域遠距離組網技術成為基于量子信息的安全多方計算邁向規模化應用的關鍵。

效能評估與應用驗證

效率評估

通過使用QOT替代傳統OT，實現不經意偽隨機函數協議，并在模擬數據和真實數據上進行了驗證。如表1所示，在模擬數據驗證中，隨機生成了1k、10k、100k 、1M量級的數據。實驗結果表明，QOT協議在保證效率和正確性的同時，能夠抵御潛在的量子攻擊，可有效替代傳統方法。此外，研究還提出了一種優化的同態秘密共享（OHSS）。

圖3 QOT協議流程示意圖

通過改進算法設計和資源分配策略，OHSS在保證抗量子特性的同時，能夠高效支持“矩陣-向量乘法”和“矩陣-矩陣乘法”，提升了復雜計算場景下的處理能力。

應用驗證

2024年上半年，研究團隊圍繞反電信欺詐場景，開展基于量子不經意傳輸（QOT）的隱私計算協議技術驗證。通過在同城金融機構數據中心搭建現網實驗環境，采用生產數據進行抗量子隱私集合求交測試，成功驗證 QOT 技術在隱私計算領域的可行性。同年下半年，研究團隊進一步深化 QOT 組網方案驗證，基于已建成的區域量子城域網，實現機構間量子不經意傳輸，并完成隱私集合求交與匿名查詢協議開發，拓展了QOT 技術的應用邊界?；谇捌谘芯砍晒?，2025年研究聚焦于抗量子隱私計算體系在反洗錢非現場監管場景的理論研究與工程化應用探索。

未來方向與戰略意義

量子安全隱私計算體系的構建，標志著密碼學從“經典防御”邁向“量子—經典協同”的全新范式。展望未來，該領域的研究將主要集中在以下三個方向：首先，深入探索量子密碼算法與隱私計算的深度融合，進一步挖掘量子技術在數據處理與分析中的巨大潛力，推動量子安全隱私計算的創新突破。其次，加速標準化進程，制定量子不經意傳輸（QOT）協議的互操作規范以及后量子密碼遷移指南，以促進量子安全隱私計算技術的廣泛應用和不同系統間的無縫互聯互通。最后，構建開放生態，通過提供量子密碼即服務（QPaaS）和隱私計算即服務（PCaaS），為企業和機構提供便捷、高效的量子安全服務，助力量子安全隱私計算的廣泛應用。

（龍盈智達〔北京〕科技有限公司首席數據科學家王彥博對本文亦有貢獻）

【參考文獻】

[1] 慢霧.2024 區塊鏈安全與反洗錢年度報告 [R/OL].（2025-01-03）.https：//www.slowmist.com/ report/2024-Blockchain-Security-an d-AML-AnnualReport（CN）.pdf.

[2] 北京金融信息化研究所.金融反欺詐與大數據風控研究報告（2023）[R/OL].（2024-01-23）https：//www.vzkoo.com/document/20240123a69beb39e24940e21007 7a1a.html.

[3] Susnjara S， Smalley I. What is quantum-safe cryptography？ [R/OL].（2024-09-04）.https：//www. ibm.com/think/topics/quantum-safe-cryptography.

圖4 不同密碼系統假設對比

表1 QOT性能測試

[4] S Zhang， J Bai，K Tu，et al.OHSS： Optimizing Homomorphic Secret Sharing to Support Fast Matrix Multiplication，December 17-21，2024[C].2024 IEEE 23rd International Conference on Trust，Security and Privacy in Computing and Communications （TrustCom），Sanya：China，2024.

[5] 中 國 人 民 銀 行 . 金 融 數 據 安 全數據 安 全 分 級 指 南： JR/T 0197-2020[S]，2020.

[6] Bos J，Ducas L，Kiltz E，et al.CRYSTALSKyber：A CCA-Secure Module-Lattice-Based KEM[C]//IEEE European Symposium on Security amp; Privacy.IEEE， 2018. DOI：10.1109/EuroSP.2018.00032.

[7] 國家密碼管理局.SM3 密碼雜湊算法：GM/T0004-2012[S]，2012.

[8] 國家密碼管理局.SM4 分組密碼算法：GM/T0002-2012[S]，2012.

[9] 李子臣，張玉龍，楊亞濤.密文類型可修改的基于格代理重加密方案[J].計算機應用研究， 2017，34（1）：224-228.

[10] 湯海婷，汪學明.一種基于格的屬性多重加密 方案[J].計算機工程，2018，44（2）：193-196.

（作者單位：成方金融科技有限公司，國科量子通信網絡有限公司，上海交通大學，其中涂錕系成方金融科技有限公司新技術實驗室總經理，黃安靜系國科量子通信網絡有限公司副總工程師）