正文

评估与安全分析

为了评估第一步(基于区块链的集群选择)，我们使用了Network Simulator-3 (ns-3)，它依靠c++实现智慧城市网络模型，使用Python实现网络拓扑。部署GOEthereum来实现区块链。模拟是在一台运行在Ubuntu Linux下、拥有16gb内存的intel core-i7计算机上进行的。我们在第二步和第三步的研究环境中使用了IBM Quantum Experience。IBM Quantum Composer和IBM Quantum Lab平台允许研究人员访问5量子位量子服务器。

性能评估

所有的算法和结果都是使用基于Qiskit的IBM访问工具执行的，Qiskit是一个用于在脉冲、电路和应用模块上与量子计算机一起工作的开源SDK。最后，我们在发送到Quantum云服务器的数据上测试了一个Grover搜索功能。结果如图13所示，显示了测量正确状态的高概率，图14表示了Grover算法门的视觉概念。

为了证明我们提出的基于区块链的体系结构的有效性，我们考虑了三个主要的网络性能指标;故障对等体的延迟，网络执行的一般延迟，以及使用PBFT与经典算法相比的网络吞吐量。本文提出的区块链算法在执行方面比经典PBFT算法有更好的效果，如图15所示，我们在四个故障对等体的情况下，使用go -以太坊在NS-3上进行仿真，以创建一个安全的、私有的通信数据集群。

图16显示了一般通过网络实现PBFT延迟与经典算法相比,描绘在图中,建议PBFT记录一个低延迟2 s与更高的延迟记录器在13秒,然而,经典算法记录短延迟12秒,可以达到48秒。很明显，该算法大大降低了延迟，提高了QoS和QoE。

吞吐量仿真及结果如图17所示。正如所描述的，所提出的PBFT在模拟过程中能够保持高而稳定的吞吐量，而经典算法的吞吐量随着网络中对等节点的增加而下降。

实验结果证明了该体系结构采用区块链技术的可行性。与经典的BFT算法相比，提出的解决方案记录了低延迟和高吞吐量，这使得它非常适合在实景场景中实现，以补充和保护基于量子的云环境。

表2给出了对医疗数据执行Quantum委托计算和其他操作(如Grover搜索算法)所需的延迟、预算。

安全性分析

给出一个量子状态|φ >，一个消息m，一个密钥k， |φ >的加密是基于位翻转操作X的，例如，如果k = 1，状态|φ >被翻转，如果k = 0，什么都不发生。下面的示例拖拽方程描述了消息m的加密。

在这种情况下，如果窃听者干扰了通信，那么窃听者可以看到的是密钥为1或0的两种情况之一:

如果k = 0, 窃听者将看到矩阵|m >< m|，如果k = 1, 窃听者将看到。X|m > < m|X。

如果我们对这两种情况进行平均，我们得到以下密度矩阵:

医疗保健应用程序要求采取高安全性和隐私措施，因为它保存了有关患者的敏感信息，比如他的病史和疾病，以及他的身份、姓名、年龄等。或者是制药行业的实验室数据。此外，医疗服务所需的大量计算，如DNA计算，需要在服务器层的量子计算机提供广泛的计算能力。许多研究已经研究了量子服务器在数据计算上的性能，但是，据我们所知，很少有研究解决了与这类委托相关的安全问题。量子服务器本身对多重网络攻击是安全的。但是，客户端和服务器之间的通信是不安全的。窃听者可以中断通信并了解从客户端发送到服务器的消息。作为这个问题的解决方案，在这个方案中，我们部署了QOTP，在启动与服务器的通信之前，它对秘密消息进行编码并验证通信，要确保通道的安全性。这被证明是完全保密的。因为，如果是随机选择的测量基准，即使窃听者设法中断通信，也不会泄露信息。

该架构为智能医疗系统部署了基于量子的云委托计算。如上所述，实现的PBFT记录了低延迟和高吞吐量，这使得可行和可扩展，因此执行成本更低。此外，在云服务中使用的量子计算能力可以部署现有的量子云服务，如D-Wave、IonQ和Rigetti。这些服务每任务执行价格为0.3美元，每次不到0.01美元，执行起来相对便宜且可行。委托的量子算法可以直接实现到这些量子云服务中的一个，每个服务提供商可以在边缘上装备一个小的1qubit量子机器图像，作为客户端和量子云之间的中间体。1量子位量子机的实现成本相对较低，这使得我们提出的架构可行、安全、可扩展和成本效益。

结论

云中的量子计算无疑可以为智能医疗环境提供理想的计算能力和安全性。我们提出的架构部署了两项领先技术，为智能医疗创造了更好的服务质量，并确保了更好的安全性。区块链将减少客户端对量子机器的需求，它将提供对量子云的诚实设备和客户端的安全访问。边缘层的量子终端(量子图像)将编译经典位到量子位，反之亦然。使用完全盲计算，量子云能够计算复杂的医疗保健客户的请求，同时保持信息和计算安全。例如，我们在量子云上对完全加密的数据计算了Grover搜索算法，以衡量所提出架构的安全性。分析证明了Q-OTP的无条件安全性，仿真结果表明基于区块链的委托量子云架构实现医疗大数据安全的可行性。在我们未来的工作中，我们计划实现这个架构，并在真实的医疗数据上执行不同的计算，以更好地测量量子错误率。

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参考文献：Azzaoui, Abir EL, Pradip Kumar Sharma, and Jong Hyuk Park. "Blockchain-based delegated Quantum Cloud architecture for medical big data security." Journal of Network and Computer Applications 198 (2022): 103304.