量子电路噪声容忍阈值研究：基于16量子比特的文本加密方案设计与性能分析

本研究针对量子加密在噪声环境下的可靠性问题，提出了一种基于16量子比特的随机门控加密方案。通过构建包含SWAP、CNOT等量子门的加密/解密电路，系统评估了退极化噪声、振幅阻尼等五种噪声模型的耐受阈值（0.35-0.5），发现不含Hadamard门的电路稳定性更优。该方案在Qiskit模拟器中实现了64-43312字节文本的加密，其熵值(5.56552)和雪崩效应(0.50566)优于经典AES算法，为NISQ时代量子加密实用化提供了重要参考。

　　

随着量子计算技术的快速发展，传统加密体系面临严峻挑战。Shor算法能在多项式时间内破解RSA等基于大数分解的经典加密，而Grover算法则对对称密钥构成威胁。在此背景下，量子密码学成为研究热点，其中量子密钥分发(QKD)已实现商业化应用，但面向明文加密的量子电路方案仍存在两大瓶颈：一是现有量子AES方案需要数百个量子比特（如AES-128需928个），远超当前NISQ设备承载能力；二是量子噪声会破坏量子态相干性，导致加密失败。印尼Dian Nuswantoro大学量子计算研究中心的T. Sutojo团队在《Franklin Open》发表的研究，首次系统探究了噪声环境下量子加密电路的可靠性边界。

研究团队采用Qiskit模拟器构建了16量子比特的加密系统，核心技术创新在于：1）开发比特-量子态转换电路，将每2个ASCII字符编码为16量子比特；2）设计包含4个SWAP门、13个基础门和16个CNOT门的随机门控加密架构；3）建立逆向解密电路生成算法；4）引入五类噪声模型（退极化/振幅阻尼/相位阻尼/重置/泡利噪声）进行压力测试。通过量子态概率阈值分析（≥0.042含Hadamard门，≥0.02不含）、Chi-square检验（2.16406）和雪崩效应测试（0.50566），全面评估方案性能。

噪声耐受性分析

在相位阻尼噪声中系统表现最优，因该噪声仅影响量子态相位而不改变基态概率。对于含Hadamard门的电路，当退极化噪声概率p>0.35时，量子态最高概率降至0.0419（低于阈值0.042），导致解密失败。特别值得注意的是，包含Y门旋转的电路对振幅阻尼噪声更敏感，因其会引发|1>态向|0>态的不可逆衰减。

加密性能验证

在64字节文本加密测试中，方案展现出显著优势：熵值达5.10043，比经典AES提高19.6%；相邻比特重复数仅247.2，较传统方法降低23%。对于43312字节长文本，仍保持2115.15626的Chi-square值和27.84257的Run test值，证明其良好的可扩展性。

讨论与展望

该研究首次量化了量子加密电路的噪声容忍阈值，为实际部署提供了关键参数。虽然含Hadamard门的电路对噪声更敏感，但其创造的量子纠缠态能提供更高安全性。未来研究可沿三个方向推进：一是优化门序列减少电路深度，二是开发针对振幅阻尼噪声的纠错编码，三是探索与QKD协议的融合应用。这项工作标志着量子加密从理论设计向工程实践迈出了重要一步，为构建后量子时代的网络安全基础设施提供了新范式。