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Abstract
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(28) 中的运算同构到复合域 GF((24)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.