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後量子密碼學 - 走進 Lattice 世界系列 第 2

[Day2]後量子密碼學 - 走進 Lattice 世界: Lattice 基本定義

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(Lattice) 格密碼學的基本定義
一個 n 維格 L 是 https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20250902/20119569oZvkND8G32.png 的任何子集,滿足以下兩點:

  1. 一個加法的子群:
    https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20250902/20119569PDKuSSPFTc.png
    且對於每個 https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20250902/201195694sOGdvJg6M.pnghttps://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20250902/20119569KNlT2ghXMS.png

  2. 離散性:
    每個 https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20250902/201195698yC28f9ldG.pnghttps://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20250902/201195696Dqjys6DzK.png
    中有一個鄰域,其中 x 是唯一的格點。

例子:
包括整數格 https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20250902/20119569MMRiJTYYY4.png 對於任何實數 c 和格 https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20250902/20119569093S15Dpxc.png 的縮放格 https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20250902/20119569OqAFj8RUF8.png 以及"棋盤"格 https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20250902/20119569bG3KdvfCSE.png

https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20250902/20119569L0a8QhfRkU.png 的最小距離是最短非零格向量的長度:
https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20250902/20119569Nm1xfkym5r.png
除非另有說明,||⋅|| 會表示歐幾里得範數。更一般地,第 i 個逐次最小值 https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20250902/20119569xlc4EZYLMN.png 是最小的 r,使得 https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20250902/20119569Mg8SLPkqns.png 有 i 個線性獨立的範數不超過 r 的向量。 因為格 https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20250902/20119569Mg8SLPkqns.pnghttps://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20250902/201195699DTBmlrpBT.png 的加法子群,有商群 https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20250902/20119569d6rrKi2ODC.png ,其陪集為 https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20250902/20119569z6PLl6A4E6.png ,具有通常導出的加法運算 https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20250902/20119569xvK8EO3efj.pnghttps://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20250902/20119569Mg8SLPkqns.png 的一個基本域是集合 https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20250902/20119569dU9l2Yex5g.png 包含每個陪集 https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20250902/20119569fnKxGW1zp8.png ,恰好一個代表 https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20250902/201195698Ao0P0SOlu.png 例如: 半開區間 [0,1) 和 [ −1/2 ,1/2 ) 是整數格 https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20250902/20119569iZkrQQxXQY.png 的基本域,其中陪集 https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20250902/20119569USQMWlnzlp.png 的代表分別是 https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20250902/20119569lzTphk4hlZ.pnghttps://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20250902/20119569T5OTAYKoDY.png

基與基本平行體
雖然每個非平凡的格 https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20250902/20119569u5lqWrK2Uj.png 是無限的,但它總是作為某個線性獨立的基向量 https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20250902/20119569aPwNbsPbGe.png 的整數線性組合有限生成: https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20250902/20119569rsCegFV81u.png

整數 k 稱為rank of the basic,是格的不變量。將注意力限制在 full-rank 格上,其中 k=n。格A 的基 B 不是唯一的:對於任何單位模的矩陣 https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20250902/20119569Ujh6YoulmO.png 即行列式為 ±1 的矩陣,B⋅U 也是 https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20250902/20119569dGu8X0cwma.png 的基,因為 https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20250902/20119569iTphurWjV0.png 對於具有基 B 的格 https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20250902/20119569dhhsAtxwFM.png

常用的基本域是以原點為中心的基本平行體
https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20250902/2011956989BJtdAV0g.png
其中陪集 https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20250902/20119569O3o2kbiMK3.png 的代表是 https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20250902/2011956961vo61K9oU.png

對偶格 (dual lattice)
https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20250902/20119569BGamSpvg0F.png 的對偶(有時稱為倒易)定義為 https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20250902/20119569lQF5Yr9AlR.png 即與 L 中所有向量的內積 (inner products) 均為整數的點集。容易驗證 https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20250902/20119569VQZSId3aWG.png 是一個格。
例如: https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20250902/20119569V1rCLoWTPw.png 且對於任何非零實數 c 和格 L,有 https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20250902/20119569CyAX58U5y7.png ,同樣容易驗證,如果 B 是 L 的基,則https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20250902/20119569XD1LSJ4Nmd.pnghttps://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20250902/20119569k4cDprOOnM.png 的基。


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