全同态加密理论、生态现状与未来展望（上）

《全同态加密理论、生态现状与未来展望》系列由lynndell2010@gmail.com和mutourend2010@gmail.com整理原创发布，分为上中下三个系列：

• 全同态加密理论、生态现状与未来展望（上）：专注于介绍全同态加密理论知识。
• 全同态加密理论、生态现状与未来展望（中1）：专注于介绍全同态加密四代算法中第一代第二代FHE算法的衍化历程。
• 全同态加密理论、生态现状与未来展望（中2）：专注于介绍全同态加密四代算法中第三代第四代FHE算法的衍化历程。
• 全同态加密理论、生态现状与未来展望（下）：专注于介绍当前全同态加密生态现状及未来展望。

整个系列内容可能存在纰漏，希望能得到大家的反馈，有任何问题欢迎邮件联系lynndell2010@gmail.com和mutourend2010@gmail.com，或在本文下方评论留言。

1. 引言

1.1 格基本概念

1.1.1 格定义

定义 1 (格). 设${\mathbf{v}}_1,{\mathbf{v}}_2,\cdots ,{\mathbf{v}}_n\in {\mathbb{R}}^m$为一组线性无关的向量。由${\mathbf{v}}_1,{\mathbf{v}}_2,\cdots ,{\mathbf{v}}_n$ 生成的格 $L$ 指的是向量 ${\mathbf{v}}_1,{\mathbf{v}}_2,\cdots ,{\mathbf{v}}_n$的线性组合构成的向量集合，且其所有的系数均在 $\mathbb{Z}$ 中，即：
L = { a 1 v 1 + a 2 v 2 + ⋯ + a n v n : a 1 , a 2 , ⋯ , a n ∈ Z , v 1 , v 2 , ⋯ , v n ∈ R m } . L = \{ a_1\mathbf{v}_1 + a_2\mathbf{v}_2 + \cdots + a_n\mathbf{v}_n : a_1, a_2, \cdots, a_n \in \mathbb{Z},\mathbf{v}_1, \mathbf{v}_2, \cdots, \mathbf{v}_n \in \mathbb{R}^m\}. L={a1​v1​+a2​v2​+⋯+an​vn​:a1​,a2​,⋯,an​∈Z,v1​,v2​,⋯,vn​∈Rm}.

任意一组可以生成格的线性无关的向量称为格的基，格基的向量个数称为格的维度。

1.1.2 格计算困难问题

• 最短向量问题(SVP):
  在格$L$中求一个非零向量$\mathbf{v}\in L$，使它的欧几里得范数$||\mathbf{v}||=\sqrt{\mathbf{v}\cdot \mathbf{v}}$最小。

• 最近向量问题(CVP):
  已知一个不在格$L$中的向量$\mathbf{w}\in {\mathbb{R}}^m$，求一个向量$\mathbf{v}\in L$，使它最接近$\mathbf{w}$。换言之，求一个向量$\mathbf{v}\in L$，使欧几里得范数$||\mathbf{w}-\mathbf{v}||$最小。

在格中可能存在不止一个最短的非零向量（找出一个即可）。例如，在$Z^2$中，$(0,\pm 1)$和$(\pm 1,0)$这四个向量都是SVP解。这种情形也适用于CVP。

随着格的维度$n$的增加，在计算上也越来越难解。另外，即使是对SVP和CVP的近似解，在理论和应用数学的诸多领域都有许多应用。通常，CVP被认为是NP难问题，SVP在特定的"随机规约假设"下也被认为是NP难问题。

1.1.3 最短基问题(SBP)

在实际应用中，有一些很重要的SVP和CVP的变形SBP：
求一个格基${\mathbf{v}}_1,{\mathbf{v}}_2,\dots ,{\mathbf{v}}_n$，使它在某些情况下最短。如可能需要使下式最小：
$$ma{x}_{1\le i\le n}||{\mathbf{v}}_i||\vee \sum _{i=1}^n||{\mathbf{v}}_i|{|}^2$$
因此，可能有许多版本的SBP，这取决于如何定义基的"大小"。

1.1.4 近似最短/最近向量问题

近似最短向量问题(apprSVP)： 设$\Psi (n)$是$n$的一个函数。在$n$维格$L$中，求一个非零向量，使其不大于最短非零向量的$\Psi (n)$倍。
换言之，如果${\mathbf{v}}_{\text{shortest}}$是格$L$的最短非零向量，则求一个非零向量$\mathbf{v}\in L$，使其满足：
$$||\mathbf{v}||\le \Psi (n)||{\mathbf{v}}_{\text{shortest}}||$$

不同函数$\Psi (n)$可形成不同的apprSVP。如要求设计一个算法，用于求非零的向量$\mathbf{v}\in L$，满足：
$$||\mathbf{v}||\le 3\sqrt{n}||{\mathbf{v}}_{\text{shortest}}||\vee ||\mathbf{v}||\le 2^{n/2}||{\mathbf{v}}_{\text{shortest}}||$$
很明显，前者的算法比后者要强，但如果格的维度不大，即使对后者的解也可能是非常有用的。

近似最近向量问题(apprCVP)： 与apprSVP类似，需要求CVP的近似解。

1.1.5 LWE困难问题

LWE搜索困难问题： 已知矩阵$\mathbf{A}\in {\mathbb{Z}}_q^{mn}$和向量$\mathbf{b}\in {\mathbb{Z}}_q^m$，求向量$\mathbf{s}\in {\mathbb{Z}}_q^n$是困难的。其中，
$$\mathbf{b}=\mathbf{As}+\mathbf{e}\mathrm{mod}q.$$
$\mathbf{e}\in {\mathbb{Z}}_N^m$是噪声（欧几里得范数很小）。

图1：LWE 搜索困难问题

LWE判决困难问题： 已知矩阵$\mathbf{A}\in {\mathbb{Z}}_q^{mn}$和向量$\mathbf{b}\in {\mathbb{Z}}_q^m$，判断是LWE实例，还是随机数实例。

1.1.6 环LWE困难问题

模$q\ge 2$，多项式次数$n\ge 1$是2的幂次方，多项式为$f(x)=x^n+1$。环$R=\mathbb{Z}[x]/f(x)$,环$R_q={\mathbb{Z}}_q[x]/f(x)$。$\chi$是$R$上的一个噪声概率分布。${\bar{A}}_{s,\chi }$是$R_q\times R_q$上的一个概率分布。该分布以如下方式获得：随机选择$\mathbf{a}\in R_q$，根据分布$\chi$选择噪声向量$\mathbf{e}\in R_q$，则
$${\bar{A}}_{s,\chi }=(\mathbf{a},\mathbf{b})=(\mathbf{a},\mathbf{a}\bullet \mathbf{s}+\mathbf{e})\in R_q\times R_q$$
环LWE搜索困难问题： 已知$(\mathbf{a},\mathbf{b})\in R_q\times R_q$，求$\mathbf{s}\in R_q$是困难的。
环LWE判决困难问题： 已知环LEW$(\mathbf{a},\mathbf{b})\in R_q\times R_q$实例与随机均匀分布实例$({\mathbf{a}}^{\prime },{\mathbf{b}}^{\prime })$，无法区分。

1.1.7 优质基与劣质基

图2：优质基与劣质基

• 优质基： 向量角度比较大（Hadamard比率较大，接近1）。使用优质基，调用Babai算法，能在多项式时间内求解CVP困难问题；

• 劣质基： 向量角度比较小（Hadamard比率较小，接近0）。使用劣质基，不能在多项式时间内求解CVP困难问题。

已知优质基$\mathbf{V}=({\mathbf{v}}_1,...,{\mathbf{v}}_n)$，能在多项式时间内求劣质基$\mathbf{W}=({\mathbf{w}}_1,...,{\mathbf{w}}_n)$。
求解方法： 选择随机矩阵$\mathbf{A}$，要求$\det (\mathbf{A})=\pm 1$，则
$$\mathbf{W}:=\mathbf{AV}$$
反之，已知劣质基$\mathbf{W}$，不能在多项式时间内求优质基$\mathbf{V}$。

1.1.8 Babai算法

已知优质基$\mathbf{V}=({\mathbf{v}}_1,...,{\mathbf{v}}_n)$，求目标向量$\mathbf{w}$的最近向量，即解决CVP困难问题。
Babai算法包括以下三个步骤：

1. 使用优质基，能在多项式时间内求实数$t_i\in \mathbb{R}$，使得$\mathbf{w}=t_1{\mathbf{v}}_1+...+t_n{\mathbf{v}}_n$，即任意向量由基线性表达。

2. 对于实数$t_i\in \mathbb{R}$，取四舍五入 $a_i=\lceil t_i\rfloor$。

3. 计算向量${\mathbf{w}}^{\prime }:=a_1{\mathbf{v}}_1+...+a_n{\mathbf{v}}_n$，则${\mathbf{w}}^{\prime }$是$\mathbf{w}$的最近向量。

分析：
使用优质基$({\mathbf{v}}_1,...,{\mathbf{v}}_n)$，使得对$t_i$四舍五入时，误差较小，所以最终结果正确。
如果使用劣质基$({\mathbf{w}}_1,...,{\mathbf{w}}_n)$在多项式时间内求实数$t_i\in \mathbb{R}$，则四舍五入的误差较大，无法获得正确结果。
如果目标向量是一个噪声（欧几里得范数很小），则$t_i$非常接近0，四舍五入后获得的$a_i$等于0，因此Babai算法是去噪声算法，能找到最近向量，解决CVP困难问题。

1.1.9 GGH公钥密码系统

Public-key cryptosystems from lattice reduction problems

• 密钥生成： 选择一个优质基$\mathbf{V}=({\mathbf{v}}_1,...,{\mathbf{v}}_n)$作为私钥。选择一个整数矩阵$\mathbf{U}$，使得$\det (\mathbf{U})=\pm 1$。计算$\mathbf{W}:=\mathbf{UV}$，则获得劣质基$\mathbf{W}=({\mathbf{w}}_1,...,{\mathbf{w}}_n)$作为公钥。

• 加密： 消息为小向量$\mathbf{m}$，选择噪声$\mathbf{r}$，输入公钥$\mathbf{W}$，如下计算：
  $$\mathbf{c}=\mathbf{m}\cdot \mathbf{W}+\mathbf{r}$$
  则密文为$\mathbf{c}$。

• 解密： 使用私钥(优质基)$\mathbf{V}$，输入Babai算法，如下解密：
  $$\begin{array}{rl}& \lceil \mathbf{c}{\mathbf{V}}^{-1}\rfloor \bullet \mathbf{V}{\mathbf{W}}^{-1}\\ & =\lceil (\mathbf{m}\cdot \mathbf{W}+\mathbf{r}){\mathbf{V}}^{-1}\rfloor \bullet {\mathbf{U}}^{-1}\\ & =\lceil \mathbf{m}\cdot \mathbf{W}{\mathbf{V}}^{-1}+\mathbf{r}{\mathbf{V}}^{-1}\rfloor \bullet {\mathbf{U}}^{-1}\\ & =\lceil \mathbf{m}\cdot \mathbf{UV}{\mathbf{V}}^{-1}+\mathbf{r}{\mathbf{V}}^{-1}\rfloor \bullet {\mathbf{U}}^{-1}\\ & =\lceil \mathbf{m}\cdot \mathbf{U}+\mathbf{r}{\mathbf{V}}^{-1}\rfloor \bullet {\mathbf{U}}^{-1}\\ & \approx \mathbf{m}\cdot \mathbf{U}\bullet {\mathbf{U}}^{-1}\\ & =\mathbf{m}\end{array}$$
  Babai算法中，如果噪声$\mathbf{r}$欧几里得范数很小，则步骤1的$t_i$一定更小，四舍五入后就是0，所以$\lceil \mathbf{r}{\mathbf{V}}^{-1}\rfloor \approx 0$。

举例：

• 密钥生成： 私钥使用如下优质基：
  $$\mathbf{V}=\left[\begin{array}{l}{\mathbf{v}}_1\\ {\mathbf{v}}_2\\ {\mathbf{v}}_3\\ {\mathbf{v}}_4\\ {\mathbf{v}}_5\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccccc}81& 15& 17& 60& 29\\ -53& 7& 49& 46& -11\\ 2& 84& -6& -68& -97\\ 11& -96& 92& 70& -70\\ 28& -58& 98& -89& 24\end{array}\right]$$
  由 $v_1,v_2,\dots ,v_5$ 作为基构成的格 $L$ 的行列式值为
  $\text{det}(L)=22655546896$ 该基的 Hadamard 比率为
  $$\mathcal{H}(v_1,v_2,\dots ,v_5)={\left[\frac{\text{det}(L)}{\Vert v_1\Vert \Vert v_2\Vert \Vert v_3\Vert \Vert v_4\Vert \Vert v_5\Vert }\right]}^{1/5}\approx 0.9249$$
  接近1，所以是优质基。

  选择如下随机矩阵： $$\mathbf{U}=\left[\begin{array}{ccccc}16& 111& 139& -16& -95\\ -91& -642& -747& 185& 471\\ -103& -677& -1133& 492& 524\\ -21& -145& -190& 55& 111\\ -10& 86& 9& -82& 62\end{array}\right]$$
  满足$\text{det}(\mathbf{U})=1$。然后与私钥相乘，得到劣质基作为公钥：
  $$\mathbf{W}=\mathbf{UV}=\left[\begin{array}{ccccc}-7145& 19739& -4237& 3949& -15400\\ 40384& -113685& 25691& -13165& 75236\\ 45356& -179080& 54894& 27526& 92497\\ 9137& -29008& 7336& -1039& 18230\\ 4600& 4280& -5798& -16426& 7011\end{array}\right]$$ 可以看出，这组公钥基的 Hadamard
  比率相对于私钥基来说非常小：
  $$\mathcal{H}(w_1,w_2,\dots ,w_5)={\left[\frac{\text{det}(L)}{\Vert w_1\Vert \Vert w_2\Vert \Vert w_3\Vert \Vert w_4\Vert \Vert w_5\Vert }\right]}^{1/5}\approx 0.0021$$
  接近0，所以是劣质基。

• 加密： 消息为$\mathbf{m}=(-78,48,5,66,89)$，
  选择随机噪声$\mathbf{r}=(-9,-5,1,-2,4)$， 使用如下公式加密：
  $$\mathbf{c}=\mathbf{mW}+\mathbf{r}$$ 计算得到：
  $$\begin{array}{rl}\mathbf{c}& =\left[\begin{array}{ccccc}-78& 48& 5& 66& 89\end{array}\right]\cdot \left[\begin{array}{ccccc}-7145& 19739& -4237& 3949& -15400\\ 40384& -113685& 25691& -13165& 75236\\ 45356& -179080& 54894& 27526& 92497\\ 9137& -29008& 7336& -1039& 18230\\ 4600& 4280& -5798& -16426& 7011\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}-9\\ -5\\ 1\\ -2\\ 4\end{array}\right]\\ & =(3746835,-9425535,1806279,-2332802,7102176)\end{array}$$

• 解密： 使用Babai算法解密。将$\mathbf{c}$用私钥（优质基）$v_1,v_2,\dots ,v_5$表达。
  由于 $\mathbf{c}$ 中含有噪声 $\mathbf{r}$，因此有：
  $$\mathbf{c}\cdot {\mathbf{V}}^{-1}\approx \left[\begin{array}{c}-8407.083\\ -60082.952\\ -64102.054\\ 8919.983\\ 45482.020\end{array}\right]$$
  四舍五入，再与私钥（优质基）$\mathbf{V}$相乘，即得到一个最近格向量（解决了CVP问题）：
  $$\begin{array}{rl}{\mathbf{v}}^{\prime }& =\lceil \mathbf{c}\cdot {\mathbf{V}}^{-1}\rfloor \cdot \mathbf{V}\\ & =\left[\begin{array}{c}-8407,-60083,-64102,8920,45482\end{array}\right]\cdot \mathbf{V}\\ & =\left[\begin{array}{c}3746844,-9425530,1806278,-2332800,7102172\end{array}\right]\end{array}$$
  这个结果等于前面的$\mathbf{mW}$，即密文$\mathbf{c}$去掉了噪声。即${\mathbf{v}}^{\prime }=\mathbf{c}-\mathbf{r}=\mathbf{mW}$。
  接下来计算： $$\mathbf{m}={\mathbf{v}}^{\prime }\cdot {\mathbf{W}}^{-1}=\left[\begin{array}{c}3746844,-9425530,1806278,-2332800,7102172\end{array}\right]\cdot W^{-1}=\left[\begin{array}{c}-78,48,5,66,89\end{array}\right]$$ 解密成功。

• 攻击：
  假设攻击者试图去破解密文，但只知道公钥（劣质基）$\mathbf{W}$。如果它对于公钥$\mathbf{W}$应用
  Babai算法的话，会得到：
  $$\mathbf{c}\cdot {\mathbf{W}}^{-1}\approx \left[\begin{array}{c}3417.187,5205.909,-62877.902,351125.565,-130786.869\end{array}\right]$$
  然后四舍五入，同样会得到一个格向量:
  $${\mathbf{v}}^{\prime \prime }=\lceil \mathbf{c}\cdot {\mathbf{W}}^{-1}\rfloor =\left[\begin{array}{c}3417,5206,-62878,351126,-130787\end{array}\right]$$
  然后与公钥$\mathbf{W}$相乘，即${\mathbf{v}}^{\prime \prime }\cdot \mathbf{W}=\lceil \mathbf{c}\cdot {\mathbf{W}}^{-1}\rfloor \cdot \mathbf{W}$。
  很明显，攻击者找到的是一个不正确的明文向量: $$m=\left[\begin{array}{c}3417,5206,-62878,351126,-130787\end{array}\right]$$

对于不同的基，使用Babai算法的效果如下： $$\begin{array}{rl}& \Vert \mathbf{c}-{\mathbf{v}}^{\prime }\Vert =\Vert \mathbf{c}-\lceil \mathbf{c}{\mathbf{V}}^{-1}\rfloor \bullet \mathbf{V}\Vert =11.2694\\ & \Vert \mathbf{c}-{\mathbf{v}}^{\prime \prime }\Vert =\Vert \mathbf{c}-\lceil \mathbf{c}{\mathbf{W}}^{-1}\rfloor \bullet \mathbf{W}\Vert \approx 13264.50\end{array}$$
因此，对于劣质基$\mathbf{W}$，Babai算法的结果不能作为CVP的解。

1.2 典型方案

1.2.1 Regev05：加密1比特

On Lattices, Learning with Errors, Random Linear Codes, and Cryptography

格的维数为$n$，$\chi$是$\mathbb{Z}$上的噪声高斯分布，其欧几里得范数较小。

• 密钥生成： 私钥为随机向量$sk=\mathbf{s}\leftarrow {\mathbb{Z}}_q^n$。
  随机均匀选取矩阵$\mathbf{A}\leftarrow {\mathbb{Z}}_q^{N\times n}$和噪声$\mathbf{e}\leftarrow {\chi }^N$，如下计算
  $$\mathbf{b}:=\mathbf{As}+\mathbf{e}$$
  则公钥为$PK=(\mathbf{A},\mathbf{b})$。

• 加密： 对于消息 m ∈ { 0 , 1 } m\in \{0,1\} m∈{0,1}，选择随机数 r ∈ { 0 , 1 } N \mathbf{r}\in \{0,1\}^{N} r∈{0,1}N，如下计算
  $$\begin{array}{rl}& c_1:=\lfloor \frac{q}{2}\rfloor \cdot m+{\mathbf{r}}^T\cdot \mathbf{b}\in {\mathbb{Z}}_q\\ & {\mathbf{c}}_2:={\mathbf{r}}^T\mathbf{A}\in {\mathbb{Z}}_q^n\end{array}$$ 则密文为$(c_1,{\mathbf{c}}_2)$。

• 解密： 输入私钥$\mathbf{s}$和密文$(c_1,{\mathbf{c}}_2)$，如下计算
  $$\lfloor \frac{2}{q}\left[(c_1-{\mathbf{c}}_2\cdot \mathbf{s})\mathrm{mod}q\right]\rfloor \mathrm{mod}2$$
  展开如下 $$\begin{array}{rl}& \lfloor \frac{2}{q}\left[(c_1-{\mathbf{c}}_2\cdot \mathbf{s})\mathrm{mod}q\right]\rfloor \\ & =\frac{2}{q}\left[\lfloor \frac{q}{2}\rfloor \cdot m+{\mathbf{r}}^T\cdot \mathbf{b}-{\mathbf{r}}^T\mathbf{As}\right]\\ & =\frac{2}{q}\left[\lfloor \frac{q}{2}\rfloor \cdot m+{\mathbf{r}}^T\cdot (\mathbf{As}+\mathbf{e})-{\mathbf{r}}^T\mathbf{As}\right]\\ & =\frac{2}{q}\left[\lfloor \frac{q}{2}\rfloor \cdot m+{\mathbf{r}}^T\cdot \mathbf{e}\right]\\ & =m+e^{\ast }\end{array}$$
  当噪声$e^{\ast }$小于$\lfloor \frac{q}{2}\rfloor /2$时，解密是精确的。注意，噪声${\mathbf{r}}^T\cdot \mathbf{e}$被放大了。

1.2.2 BV11：加密1比特

Efficient Fully Homomorphic Encryption from (Standard) LWE

• 密钥生成： 私钥为随机向量$sk=\mathbf{s}\leftarrow {\mathbb{Z}}_q^n$。
  随机均匀选取矩阵$\mathbf{A}\leftarrow {\mathbb{Z}}_q^{N\times n}$和噪声$\mathbf{e}\leftarrow {\chi }^N$，如下计算
  $$\mathbf{b}:=\mathbf{As}+2\mathbf{e}$$
  则公钥为$PK=(\mathbf{A},\mathbf{b})$。注意噪声为偶数倍。

• 加密： 对于消息 m ∈ { 0 , 1 } m\in \{0,1\} m∈{0,1}，选择随机数 r ∈ { 0 , 1 } N \mathbf{r}\in \{0,1\}^{N} r∈{0,1}N，如下计算
  $$\begin{array}{rl}& c_1:=m+{\mathbf{b}}^T\cdot \mathbf{r}\in {\mathbb{Z}}_q\\ & {\mathbf{c}}_2:={\mathbf{A}}^T\mathbf{r}\in {\mathbb{Z}}_q^n\end{array}$$

• 解密： 输入私钥$\mathbf{s}$和密文$(c_1,{\mathbf{c}}_2)$，如下计算
  $$(c_1-{\mathbf{c}}_2\cdot \mathbf{s})\mathrm{mod}q\mathrm{mod}2$$ 展开如下
  $$\begin{array}{rl}& (c_1-{\mathbf{c}}_2\cdot \mathbf{s})\mathrm{mod}q\mathrm{mod}2\\ & =(m+{\mathbf{b}}^T\cdot \mathbf{r}-{\mathbf{A}}^T\mathbf{r}\cdot \mathbf{s})\mathrm{mod}q\mathrm{mod}2\\ & =(m+(\mathbf{As}+2\mathbf{e}{)}^T\cdot \mathbf{r}-{\mathbf{A}}^T\mathbf{r}\cdot \mathbf{s})\mathrm{mod}q\mathrm{mod}2\\ & =m+2{\mathbf{e}}^T\mathbf{r}\mathrm{mod}2\end{array}$$ 注意，噪声$2{\mathbf{e}}^T\mathbf{r}$被放大了。

1.2.3 KTX07：加密$l$比特

Lattice-based cryptography

• 密钥生成： 选择随机矩阵${\mathbf{S}}^{\prime }\leftarrow {\mathbb{Z}}_q^{n\times l}$，则私钥为$sk=\mathbf{S}=(1,...,1||{\mathbf{S}}^{\prime })\in {\mathbb{Z}}_q^{(n+l)\times l}$。

  随机均匀选取矩阵${\mathbf{A}}^{\prime }\leftarrow {\mathbb{Z}}_q^{N\times n}$
  和噪声矩阵$\mathbf{E}\leftarrow {\chi }^{N\times l}$，如下计算
  $$\mathbf{b}:={\mathbf{A}}^{\prime }{\mathbf{S}}^{\prime }+\mathbf{E}\in {\mathbb{Z}}_q^{N\times l}$$
  令
  $$\mathbf{A}:=[\mathbf{b}|-{\mathbf{A}}^{\prime }]\in {\mathbb{Z}}_q^{N\times (n+l)}$$
  则公钥为$PK=\mathbf{A}$。以下等式成立： $$\mathbf{A}\cdot \mathbf{S}=[\mathbf{b}|-{\mathbf{A}}^{\prime }]\cdot \mathbf{S}=[{\mathbf{A}}^{\prime }{\mathbf{S}}^{\prime }+\mathbf{E}|-{\mathbf{A}}^{\prime }]\cdot \mathbf{S}=[{\mathbf{A}}^{\prime }{\mathbf{S}}^{\prime }+\mathbf{E}|-{\mathbf{A}}^{\prime }]\cdot (1,...,1||{\mathbf{S}}^{\prime })=\mathbf{E}$$

• 加密： 消息为$\mathbf{m}\in {\mathbb{Z}}_t^l$，令
  m ′ = ( m , 0 , . . . , 0 ) ∈ { 0 , 1 } n + l \mathbf{m}'=(\mathbf{m},0,...,0)\in \{0,1\}^{n+l} m′=(m,0,...,0)∈{0,1}n+l。
  选择随机向量 r ∈ { − a , − a + 1 , . . . , a } N \mathbf{r}\in \{-a,-a+1,...,a\}^{N} r∈{−a,−a+1,...,a}N，计算
  $$\mathbf{c}:=\lceil (\frac{q}{t}){\mathbf{m}}^{\prime }\rfloor +{\mathbf{A}}^T\cdot \mathbf{r}\in {\mathbb{Z}}_q^{(n+l)}$$
  则密文为$\mathbf{c}$。

• 解密： 输入私钥$\mathbf{S}$和密文$\mathbf{c}$，如下解密
  $$m:=\lceil \frac{t}{q}({\mathbf{S}}^T\mathbf{c})\rfloor$$
  展开如下 $$\begin{array}{r}\lceil \frac{t}{q}({\mathbf{S}}^T\mathbf{c})\rfloor =\lceil \frac{t}{q}\left({\mathbf{S}}^T\left(\lceil (\frac{q}{t}){\mathbf{m}}^{\prime }\rfloor +{\mathbf{A}}^T\cdot \mathbf{r}\right)\right)\rfloor =\lceil \frac{t}{q}\left(((1,...,1||{\mathbf{S}}^{\prime }){)}^T\left(\lceil (\frac{q}{t})((\mathbf{m},0,...,0))\rfloor +([\mathbf{b}|-{\mathbf{A}}^{\prime }]{)}^T\cdot \mathbf{r}\right)\right)\rfloor \end{array}$$ 注意，噪声$\frac{t}{q}{\mathbf{E}}^T\mathbf{r}$被放大了。

1.2.4 DGHV10：基于整数的FHE

Fully homomorphic encryption over the integers

• 密钥生成： 私钥为随机整数$p$。公钥为$pq$。$q$是另外一个随机整数。

• 加密： 对于消息 m ∈ { 0 , 1 } m\in \{0,1\} m∈{0,1}，选择噪声$e$，计算 $$c:=m+2e+pq$$
  则密文为$c$。

• 解密： 输入私钥$p$和密文$c$，计算 $$(c\mathrm{mod}p)\mathrm{mod}2.$$
  模$p$去掉了$pq$，模$2$去掉了噪声，留下消息$m$。

• 同态加法：$c+c^{\prime }=(m+m^{\prime })+2(r+r^{\prime })+p(q+q^{\prime })$

• 解密：$(c+c^{\prime }\mathrm{mod}p)\mathrm{mod}2=m+m^{\prime }$。加法对噪声影响较小

• 同态乘法：$c\cdot c^{\prime }=(m+2r)(m^{\prime }+2r^{\prime })+p(pq{q}^{\prime }+m{q}^{\prime }+m^{\prime }q+2r{q}^{\prime }+2r^{\prime }q)$

• 解密：$(c\cdot c^{\prime }\mathrm{mod}p)\mathrm{mod}2=(m+2r)(m^{\prime }+2r^{\prime })\mathrm{mod}p\mathrm{mod}2$。

  关键项$(m+2r)(m^{\prime }+2r^{\prime })\mathrm{mod}p$乘积后变大，可能超过$p$，导致解密出错。

举例：$p=11,q=5,m=0,m^{\prime }=1,r=-1,r^{\prime }=1$

$c=m+2e+pq=53$。$c\mathrm{mod}11=-2$再模2，则等于0。计算正确。

$c^{\prime }=m^{\prime }+2e^{\prime }+p{q}^{\prime }=58$。$c^{\prime }\mathrm{mod}11=3$再模2，则等于1。计算正确。

同态乘法对噪声影响较大。

$(c\cdot c^{\prime })=53\cdot 58=3074$，模$p$等于$5$，在模$2$等于$1$。但是$m\cdot m^{\prime }=0$。计算错误。

乘法导致噪声快速增大，所以解密出错。

1.2.5 LV10：环LEW公钥加密

• 多项式的模运算非常适合图灵计算架构（分配的内存宽度有限）。

• 矩阵计算需要根据计算需求额外分配内存，所以效率稍微差点。

LV10环LEW公钥加密看作Regev的LEW公钥加密在环上的推广。

On Ideal Lattices and Learning with Errors over Rings

模$q\ge 2$，多项式次数$n\ge 1$是2的幂次方，多项式为$f(x)=x^n+1$。环$R=\mathbb{Z}[x]/f(x)$,环$R_q={\mathbb{Z}}_q[x]/f(x)$。$\chi$是$R$上的一个噪声概率分布。

• 密钥生成： 随机选择$\mathbf{s}\in \chi$，作为私钥。随机选择$\mathbf{a}\in R_q$，选择噪声$e_1\in \chi$，计算
  $$\mathbf{b}=\mathbf{as}+e_1$$
  则公钥为$(\mathbf{b},\mathbf{a})\in R_q\times R_q$。

• 加密： 消息为 m ∈ { 0 , 1 } n \mathbf{m}\in \{0,1\}^n m∈{0,1}n，其多项式系数$m\in R_2$。随机选择$e_2,e_3,e_4\in \chi$，如下计算
  $$\begin{array}{rl}& c_1=\lfloor q/2\rfloor \cdot m+\mathbf{b}{e}_2+e_3\in R_q\\ & c_2=\mathbf{a}{e}_2+e_4\in R_q\end{array}$$ 则密文为$\mathbf{c}=(c_1,c_2)$。

• 解密： 输入私钥$\mathbf{s}$和密文$\mathbf{c}$，如下解密
  $$m:=\frac{2}{q}\lfloor c_1-c_2\mathbf{s}\mathrm{mod}q\rceil \mathrm{mod}2$$
  展开如下： $$\begin{array}{rl}& \frac{2}{q}\lfloor c_1-c_2\mathbf{s}\rceil \\ & =\frac{2}{q}(\lfloor q/2\rfloor \cdot m+\mathbf{b}{e}_2+e_3-(\mathbf{a}{e}_2+e_4)\mathbf{s})\\ & =\frac{2}{q}(\lfloor q/2\rfloor \cdot m+(\mathbf{as}+e_1)e_2+e_3-(\mathbf{a}{e}_2+e_4)\mathbf{s})\\ & =\frac{2}{q}(\lfloor q/2\rfloor \cdot m+e_1{e}_2+e_3-e_4\mathbf{s})\\ & =m+\frac{2}{q}(e_1{e}_2+e_3-e_4\mathbf{s})\\ & =m+e^{\ast }\end{array}$$

1.2.6 LV10变形

方案特点：2倍噪声，则加密不需要放大消息，解密不需要缩小消息。

模$q\ge 2$，多项式次数$n\ge 1$是2的幂次方，多项式为$f(x)=x^n+1$。环$R=\mathbb{Z}[x]/f(x)$,环$R_q={\mathbb{Z}}_q[x]/f(x)$。$\chi$是$R$上的一个噪声概率分布。

• 密钥生成： 随机选择$\mathbf{s}\in \chi$，作为私钥。随机选择$\mathbf{a}\in R_q$，选择$e_1\in \chi$，计算
  $$\mathbf{b}=\mathbf{as}+2e_1$$
  则公钥为$(\mathbf{b},\mathbf{a})$。

• 加密： 消息为 m ∈ { 0 , 1 } n \mathbf{m}\in \{0,1\}^n m∈{0,1}n，其多项式系数$m\in R_2$。随机选择$e_2,e_3,e_4\in \chi$，如下计算
  $$\begin{array}{rl}& c_1=m+\mathbf{b}{e}_2+e_3\in R_q\\ & c_2=\mathbf{a}{e}_2+2e_4\end{array}$$ 则密文为$\mathbf{c}=(c_1,c_2)$。

• 解密： 输入私钥$\mathbf{s}$和密文$\mathbf{c}$，如下解密
  $$m:=c_1-c_2\mathbf{s}\mathrm{mod}q\mathrm{mod}2$$ 展开如下： $$\begin{array}{rl}& c_1-c_2\mathbf{s}\mathrm{mod}q\mathrm{mod}2\\ & =m+\mathbf{b}{e}_2+2e_3-(\mathbf{a}{e}_2+2e_4)\mathbf{s})\mathrm{mod}q\mathrm{mod}2\\ & =m+(\mathbf{as}+2e_1)e_2+2e_3-(\mathbf{a}{e}_2+2e_4)\mathbf{s})\mathrm{mod}q\mathrm{mod}2\\ & =m+2e_1{e}_2+2e_3-2e_4\mathbf{s}\mathrm{mod}q\mathrm{mod}2\\ & =m+2e^{\ast }\mathrm{mod}2\\ & =m\end{array}$$

1.3 FHE基本概念

全同态加密（Fully Homomorphic Encryption, FHE）是一种加密方案，它允许在密文上直接进行运算，从而在无需解密的情况下实现对明文的任意操作。这种功能的实现仅在加法和乘法操作可以同态执行的条件下才可能，因为这两种操作在有限环上构成一个功能完备的集合。

具体而言，任何布尔（或算术）电路都可以仅通过 XOR（加法）和 AND（乘法）门表示。 换句话说，给定两个密文 $\text{Enc}(x)$ 和 $\text{Enc}(y)$ （其中，$x$ 和 $y$ 是明文， $\text{Enc}$ 是加密操作），可以通过直接对密文进行加法（或乘法）运算，得到 $x+y$ （或 $x\cdot y$ ）的加密结果，而无需解密 $\text{Enc}(x)$ 和 $\text{Enc}(y)$ 。这足以对加密数据进行任何函数的评估，满足以下性质： $\text{Dec}(\text{Enc}(x)\Delta \text{Enc}(y))=x\Delta y,$ 其中，$\Delta$ 表示加法或乘法， $\text{Dec}$ 是解密操作。

全同态加密方案由一组概率多项式时间（PPT）算法 $(\text{KeyGen},\text{Enc},\text{Dec},\text{Eval})$ 组成，满足以下性质：

• 密钥生成 ( $\text{KeyGen}$ )： 该算法以安全参数 $\lambda$ 作为输入，输出密钥对 $(\text{sk},\text{pk})$ 和用于在密文上执行同态操作的评估密钥 $\text{evk}$ 。
• 加密 ( $\text{Enc}$ )： 该算法以公钥 $\text{pk}$ 和消息 $m$
  （来自消息空间）为输入，输出密文 $c$ 。
• 解密( $\text{Dec}$ )： 该算法以私钥 $\text{sk}$ 和密文 $c$ 为输入，输出消息 $m$ 。如果解密算法无法成功恢复加密的消息 $m$，则输出 $\perp$ 。
• 评估 ( $\text{Eval}$ )： 该算法以评估密钥 $\text{evk}$、一个函数 $f$ 和一组密文 $(c_1,\dots ,c_t)$ 为输入，输出密文 $c_f$。解密 $c_f$ 后得到 $f(m_1,\dots ,m_t)$ 的结果，即：$c_f={\text{Eval}}_{\text{evk}}(f,(c_1,\dots ,c_t)),{\text{Dec}}_{\text{sk}}(c_f)=f(m_1,\dots ,m_t)$。 注意，密文 $c_f$ 和 $c\leftarrow {\text{Enc}}_{\text{pk}}(f(m_1,\dots ,m_t))$在解密后得到相同的明文，但其构造方式可能不同（如噪声水平可能不同）。

同态加密方案的两个基本特性为：

• 所支持函数的最大degree： 该特性定义了方案 $E$ 能正确评估的函数范围。具体而言，若 $E$ 能正确评估函数集合 $F$ 中的任何函数 $f$ ，即存在评估算法 $\text{Eval}$ ，满足：
  $${\text{Dec}}_{\text{sk}}({\text{Eval}}_{\text{evk}}(f,c_1,\dots ,c_t))=f(m_1,\dots ,m_d),\forall f\in F,$$
  其中， c i ← Enc pk ( m i ) , ∀ i ∈ { 1 , … , t } c_i \leftarrow \text{Enc}_{\text{pk}}(m_i), \, \forall i \in \{1, \dots, t\} ci​←Encpk​(mi​),∀i∈{1,…,t}。此外，该特性决定了评估密文 $c_f$ （即 $\text{Eval}$的输出）是否能用作后续评估算法的输入。在多跳同态加密方案中，可以对加密消息$m$ 生成的密文 $c$ 逐一进行一系列多项式degree的函数同态评估。

• 密文长度的增长： 该特性描述了每次评估后密文bit长度的增长情况。如果密文长度增长的上限与函数 $f$ 的复杂度无关，则称该方案为紧凑型方案。

根据上述特性，同态加密方案可分为以下几类：

• Partially HE (PHE) 只能评估包含一种算术门（即加法或乘法）的电路，且电路深度不受限制的方案。
• Leveled HE (LHE) 能够评估包含加法和乘法门的电路，但仅限于预定的乘法深度L的方案。
• Somewhat HE (SHE) 能够评估包含加法和乘法门的电路子集，其复杂度随着电路深度增加而增加。SHE比LHE更为通用。示例包括Gentry（2009, 2010）。
• Leveled Fully HE 几乎与有级同态加密相同，但这些方案能够评估深度为L的所有电路。示例包括Brakerski和Vaikuntanathan（2014）；Brakerski等（2014）；Brakerski（2012）。
• Fully HE (FHE) 能够评估包含加法和乘法门的所有电路，且电路深度不受限制的方案。示例包括Gentry（2009）和Brakerski及Vaikuntanathan（2014）；Brakerski等（2014）；Brakerski（2012），在弱环形安全模型下，这种模型保证在只使用一对私钥和公钥时的安全性。

根据FHE方案如何建模计算，FHE方案可以分为3种类型：

• 将计算建模为boolean circuit 布尔电路（即bits位）。如TFHE方案。

• 将计算建模为modular arithmetic 模运算（即"clock"运算）。如BGV和BFV方案。

• 将计算建模为floating point arithmetic 浮点算法。如CKKS方案。

值得强调的是，具有足够同态评估能力的部分同态加密方案（或分层全同态加密方案）可以通过"引导"技术转化为全同态加密方案。

FHE（Fully Homomorphic Encryption，全同态加密）在不解密的情况下，能够对密文执行任意计算。计算后的密文结果解密后，等于对明文做同样计算的结果。即，对于任意有效的函数 $f$ 和明文 $m$ ，FHE具备的性质为：$f(Enc(m))=Enc(f(m))$。

定义 2 (全同态加密). 全同态加密算法包含4个概率多项式时间算法：密钥生成，加密，解密，密文计算。

• 密钥生成KeyGen$(1^{\lambda })$： 输出公钥$pk$，计算公钥$evk$和私钥$sk$。
• 加密Enc$(pk,m)$： 使用公钥 $pk$ 加密一位消息 m ∈ { 0 , 1 } m \in \{0,1\} m∈{0,1}，输出密文 $c$。
• 解密Dec$(sk,c)$： 使用密钥 $sk$ 解密密文 $c$，恢复消息$m$。
• 同态计算Eval$(evk,f,c_1,\cdots ,c_t)$： 使用计算公钥$evk$，将$c_1,c_2,\cdots ,c_t$ 输入函数 $f$。其中， f : { 0 , 1 } ∗ → { 0 , 1 } f: \{0,1\}^* \rightarrow \{0,1\} f:{0,1}∗→{0,1}，输出密文 $c_f$。

函数 $f$ 可表示成有限域 $GF(2)$ 上的算术电路形式。全同态加密算法是安全的，指满足语义安全。

全同态加密分类
根据计算电路的深度，全同态加密算法可以分为两种形式：

• 一是"纯"的全同态加密算法，即可以执行任意深度的电路计算算法，但是目前"纯"的全同态加密算法只能依靠同态解密技术（Bootstrap）和循环安全假设来实现；
• 二是层次型全同态加密算法，即算法只能执行深度为 $L$ 的计算电路，算法的参数依赖于 $L$。

L-同态： 对于一个同态加密算法HE，在存在$L=L(\lambda )$，如果对于深度为 $L$ 的任何有限域 $GF(2)$ 上的算术电路$f$，以及任意输入 $m_1,m_2,\cdots ,m_t$ 满足以下条件：
$$\mathrm{Pr}[{\text{HE.Dec}}_{sk}({\text{HE.Eval}}_{evk}(f,c_1,c_2,\cdots ,c_t))\ne f(m_1,m_2,\cdots ,m_t)]=\text{negl}(\lambda ),$$
其中，Dec是HE的解密算法，Eval 是密文计算算法，$sk$ 是密钥，$evk$ 是密文计算公钥。通常称为同态加密算法 HE 是 L-同态。

部分同态加密（Somewhat Homomorphic Encryption, SWHE）： 算法只能执行有限电路深度的密文计算，部分同态加密算法是L同态的。
紧凑性：
如果一个同态加密算法的解密电路是独立于计算深度的，即密文的长度与计算电路的深度无关，则称该同态加密算法是紧凑的。
全同态： 如果一个紧凑的同态加密算法是$L$同态的且 $L=\infty$，即可以任意多项式深度的计算电路，则称该算法是全同态的。
层次型全同态：
如果某全同态加密算法的公钥/密钥生成算法中，将作为输入参数的 $L$ 明确嵌入了电路计算深度$L$，则称该算法是层次型全同态算法。

2. 关键技术

格上加密算法产生的密文是一种噪声密文，即在明文里叠加噪声，因此密文计算时会导致密文中的噪声增长，当噪声增长超过某个界限时，就不能正确解密。因此，实现金全同态加密的关键是对密文计算过程中的噪声增长进行管理。
目前有3种噪声管理技术：

• 同态解密/自举（bootstrapping）；
• 模交换（modulus switching），在3.2.5节阐述；
• 位展开（bit decomposition）。

2.1 Bootstrapping自举

自举技术是 Gentry 实现全同态加密的奠基石。Gentry 在实现全同态加密时，注意到如果同时执行自己的解密算法，即输入的密文是对原密文中每一位加密的结果，输入的密钥是对原密文密钥每一位加密的结果，那么经过同态执行解密算法就会得到一个新的密文，这个新的密文噪声是固定的。因此，可以通过同态解密技术约束（管理）密文的噪声。

1. 密钥生成： 私钥和公钥对分别为$(s{k}_1,p{k}_1),(s{k}_1,p{k}_1)$。

2. 加密： 使用$p{k}_1$对明文$m$加密 $⟨m⟩=\text{Enc}(p{k}_1,m)$。注意，私钥$s{k}_1$能脱衣服1$⟨⟩$ 算法：输入$s{k}_1$和$⟨m⟩$，进行$k_1$次加法和$k_2$次乘法的组合，则脱掉衣服1$⟨⟩$。

3. 加密： 使用$p{k}_2$对密文$⟨m⟩$加密 $[[⟨m⟩]]=\text{Enc}(p{k}_2,⟨m⟩)$。注意，私钥$s{k}_2$能脱衣服2$[[]]$，需要$k_1$次加法和$k_2$次乘法的组合。

4. 加密： 使用$p{k}_2$对密文$s{k}_1$加密$[[s{k}_1]]=\text{Enc}(p{k}_2,s{k}_1)$。

5. **同态运算：**输入$[[s{k}_1]]$和$[[⟨m⟩]]$，进行$k_1$次同态加法和$k_2$次同态乘法的组合，脱掉衣服1$⟨⟩$，获得$[[m]]$。

   等价于同态解密：$[[m]]=\text{Dec}([[s{k}_1]],[[⟨m⟩]])$。用$[[s{k}_1]]$脱掉衣服1$⟨⟩$，还剩衣服2$[[]]$。

核心思想：步骤3到步骤5，称为换衣服，但不走光（明文$m$和私钥$s{k}_1$不泄露）

• 假设衣服1密文$⟨m⟩$，经过$n$次同态运算变为衣服1密文$⟨m{⟩}^{\prime }$。此时噪声积累很严重，后续仅能进行$k_1$次同态加法和$k_2$次同态乘法运算了。

• 使用步骤3,4,5【换衣服】，执行$k_1$次同态加法和$k_2$次同态乘法，将衣服1密文$⟨m{⟩}^{\prime }$变为衣服2密文$[[m]]$，则能够进行$n$次同态运算，变为$[[m]{]}^{\prime }$。又仅剩余$k_1$次同态加法和$k_2$次同态乘法运算了。

• 再使用步骤3,4,5，继续换衣服，则又可以同态运算$n$次，而不泄露明文$m$和私钥$s{k}_1$。

Bootstrapping自举：每同态运算$n$次后，则换衣服，则再同态运算$n$次，则再换衣服，以此类推。

由于每层电路（$k_1$次加法和$k_2$次乘法运算的组合）都需要密钥对$(p{k}_1,s{k}_1)$，所以层次型全同态加密算法的公钥 $(p{k}_1,p{k}_2,\cdots ,p{k}_{L+1})$ 和 $(s{k}_1,s{k}_2,\cdots ,s{k}_L)$ 构成。如果是循环安全的，每层电路就可以使用相同的密钥对，减少密钥数量。尽管同态解密是实现全同态加密的基石，但同态解密的效率很低，其复杂度为$\mathcal{O}({\lambda }^3)$。

Bootstrapping自举/同态解密【换衣服】是一种通用的管理噪声的技术，可以应用于所有FHE算法， 只要解密电路的深度小于算法本身的同态计算电路的深度。

2.2 位展开

当噪声主要依赖于某一个向量$\mathbf{x}\in {\mathbb{Z}}_q^n$时，为降低噪声的影响，可将该向量位展开，即将向量中的每个元素展开成二进制形式，从而向量$\mathbf{x}$的范数$l_1(\mathbf{x})$的最大值从$nq$变成$n\log q$，降低噪声。

BitDecomp(x): $\mathbf{x}\in {\mathbb{Z}}^n$，令 w i ∈ { 0 , 1 } n \mathbf{w}_i \in \{0, 1\}^n wi​∈{0,1}n，满足：$\mathbf{x}={\sum }_{i=0}^{\lceil \log q\rceil -1}{2}^i\cdot {\mathbf{w}}_i(\mathrm{mod}q)$，
输出：
( w 0 , w 1 , ⋯ , w ⌈ log ⁡ q ⌉ − 1 ) ∈ { 0 , 1 } n ⌈ log ⁡ q ⌉ (\mathbf{w}_0, \mathbf{w}_1, \cdots, \mathbf{w}_{\lceil \log q \rceil - 1}) \in \{0, 1\}^{n \lceil \log q \rceil} (w0​,w1​,⋯,w⌈logq⌉−1​)∈{0,1}n⌈logq⌉

BitDecomp${}^{-1}$(y):是BitDecomp$(x)$的逆运算。令：
$$\mathbf{y}=({\mathbf{w}}_0,{\mathbf{w}}_1,\cdots ,{\mathbf{w}}_{\lceil \log q\rceil -1})$$
则BitDecomp${}^{-1}$($\mathbf{y}$) 输出：
$$\sum _{i=0}^{\lceil \log q\rceil -1}{2}^i\cdot {\mathbf{w}}_i(\mathrm{mod}q)$$
即使向量$\mathbf{w}$中的元素不是0和1，该定义依然成立。

Flatten($\mathbf{y}$): 令Flatten($\mathbf{y}$) = BitDecomp(BitDecomp${}^{-1}$($\mathbf{y}$))，则 Flatten($\mathbf{y}$) 是一个元素为 0 和 1 构成的向量。因此，Flatten 能够将一个元素不是 0 和 1 的向量转化成一个元素为0和1的向量，而维数不变。Gentry等在2013年提出使用 Flatten 技术作为密文噪声管理。
向量位展开后，为了使得向量的内积保持不变，需要另外一个向量变成如下形式：
Powersof2(y): 输入$\mathbf{y}\in {\mathbb{Z}}^n$，输出
$$(\mathbf{y},2\mathbf{y},\cdots ,2^{\lceil \log q\rceil -1}\mathbf{y})\mathrm{mod}q\in {\mathbb{Z}}^{n\cdot \lceil \log q\rceil }$$

对于所有$\mathbf{x}\in {\mathbb{Z}}_q^n$和$\mathbf{y}\in {\mathbb{Z}}_q^n$，有如下性质：
$$⟨\mathbf{x},\mathbf{y}⟩=⟨\text{BitDecomp}(\mathbf{x}),\text{Powersof2}(\mathbf{y})⟩=⟨\text{Powersof2}(\mathbf{x}),\text{BitDecomp}(\mathbf{y})⟩$$

同理，对于任何一个$n\cdot \lceil \log q\rceil$维向量$\mathbf{a}$，有：
$$⟨\mathbf{a},\text{Powersof2}(\mathbf{y})⟩=⟨{\text{BitDecomp}}^{-1}(\mathbf{a}),\mathbf{y}⟩=⟨\text{Flatten}(\mathbf{a}),\text{Powersof2}(\mathbf{y})⟩$$

参考文献

• GGH公钥密码系统 Public-key cryptosystems from lattice reduction problems

• Regev05论文On Lattices, Learning with Errors, Random Linear Codes, and Cryptography

• Brakerski12论文Fully Homomorphic Encryption without Modulus Switching from Classical GapSVP

• Micciancio-Regev书 Lattice-based cryptography

• KTX07论文Multi-bit Cryptosystems Based on Lattice Problems

• DGHV10论文Fully homomorphic encryption over the integers

• LV10论文On Ideal Lattices and Learning with Errors over Rings

• Gentry09论文Fully homomorphic encryption using ideal lattices

• CR16论文Recovering Short Generators of Principal Ideals in Cyclotomic Rings

• BV11论文Efficient Fully Homomorphic Encryption from (Standard)LWE

• LTV13论文On-the-fly multiparty computation on the cloud via multikey fully homomorphic encryption

• GSW13论文Homomorphic Encryption from Learning with Errors:Conceptually-Simpler, Asymptotically-Faster, Attribute-Based

• TRLWE18论文TFHE: Fast Fully Homomorphic Encryption over the Torus

• 陈智罡 全同态加密：从理论到实践

• 周福才、徐剑 格理论与密码学

• Google Jeremy Kun 2024.5博客 A High-Level Technical Overview of Fully Homomorphic Encryption

• Optalysys团队2024年10月博客 Fully Homomorphic Encryption industry leaders join forces to form global FHE Hardware Consortium

• Fhenix团队2023年10月17日博客 The Holy Grail of Encryption: The Rise of FHE Technology

• NGC Ventures团队2024年1月12日博客 Introduction to FHE and Blockchain: Implications for Scalability and Privacy

• Awesome Fully Homomorphic Encryption (FHE) x Blockchain resources, libraries, projects, and more

• Awesome Homomorphic Encryption

• PANews 2024年9月17日文章 全同态加密（FHE）的进展与应用

• 2022年论文《Survey on Fully Homomorphic Encryption, Theory, and Applications》

• Craig Gentry 2022年论文《Homomorphic encryption: a mathematical survey》

• 2024年12月20日Jorge Myszne，Niobium Microsystems 首席产品官 博客 3 Homomorphic Encryption Trends for 2025

• HCLTech团队2024年6月研报 Homomorphic encryption: Exploring technology trends and future approach

• 2024年论文《vFHE: Verifiable Fully Homomorphic Encryption》

• PPS Lab团队2023年10月博客 Arithmetizing FHE in Circom

• PPS Lab团队2023年10月博客 A primer on the FHEW & TFHE schemes

• 2024年论文《Oraqle: A Depth-Aware Secure Computation Compiler》

• 2023年10月论文《A Survey on Implementations of Homomorphic Encryption Schemes》

• Sunscreen团队2021年8月博客 An Intro to Fully Homomorphic Encryption for Engineers

• TFHE：2016年论文《Faster Fully Homomorphic Encryption: Bootstrapping in less than 0.1 Seconds》

• BGV：2011年论文 《Fully Homomorphic Encryption without Bootstrapping》

• BFV：2012年论文《Somewhat Practical Fully Homomorphic Encryption》

• CKKS：2016年论文《Homomorphic Encryption for Arithmetic of Approximate Numbers》

• HomomorphicEncryption.org 2018年slide Building Applications with Homomorphic Encryption

• Greenfield Capital 2024年7月博客 The muted Seven – 7 things you should consider re confidential compute

• Sunscreen 2023年8月博客 How SNARKs fall short for FHE

• 2024年4月18日BigBrainVC团队博客 Flawed Homomorphic Encryption

• 2024年Verisense Network slide An Introduction To FHE and Its Application in Rust

• Vitalik 2020年7月20日博客 Exploring Fully Homomorphic Encryption

• 2023年论文《Verifiable Fully Homomorphic Encryption》

• 2018年《Homomorphic Encryption Standard v1.1》

• 2021年论文《SoK: Fully Homomorphic Encryption Compilers》

• 2024年论文《SoK: Fully Homomorphic Encryption Accelerators》

• Sunscreen团队2023年5月博客 Building an FHE compiler for the real world

• Zama团队2023年5月23日博客 Private Smart Contracts Using Homomorphic Encryption

• Craig Gentry 2024年6月分享视频 FHE: Past, Present and Future