Explicit Model Predictive Control with Quantum Encryption
作者: Yingjie Mi, Zihao Ren, Lei Wang, Daniel E. Quevedo, Guodong Shi
分类: eess.SY
发布日期: 2026-03-24
💡 一句话要点
提出一种量子加密显式模型预测控制方法，用于保护云端线性系统。
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 模型预测控制 量子加密 量子密钥分发 显式MPC 云控制
📋 核心要点
- 传统加密MPC计算复杂度高，限制了其在资源受限系统中的应用，尤其是在云端控制架构中。
- 论文提出一种基于量子密钥分发的加密显式MPC方法，利用量子密钥加密在线控制评估，降低计算复杂度。
- 数值实验表明，该方法在保证安全性的前提下，比经典加密MPC具有更低的在线计算复杂度。
📝 摘要（中文）
本文研究了一种用于约束离散时间线性系统的、基于云架构的量子加密显式模型预测控制（MPC）方法。首先离线求解一个有限时域二次MPC问题，得到分段仿射控制器。然后，利用由贝尔对生成并通过量子密钥分发保护的共享量子密钥，对传感器和执行器之间的在线控制评估进行加密。基于此架构，我们开发了一种轻量级的加密显式MPC协议，证明了明文控制动作的精确恢复，并描述了其计算效率。数值结果表明，该方法比经典的加密MPC具有更低的在线复杂度，同时讨论了植物数据和控制输入的保密性安全性。
🔬 方法详解
问题定义：论文旨在解决在云端控制架构中，如何安全高效地执行模型预测控制（MPC）的问题。传统的加密MPC方法，如基于同态加密的方法，计算复杂度较高，难以满足实时性要求，尤其是在资源受限的嵌入式系统中。因此，需要一种轻量级的加密方法，能够在保证控制系统安全性的同时，降低在线计算负担。
核心思路：论文的核心思路是利用量子密钥分发（QKD）技术生成共享量子密钥，并使用这些密钥对显式MPC的在线控制评估过程进行加密。显式MPC通过离线计算得到分段仿射控制律，在线阶段只需进行简单的查表和计算，因此非常适合与轻量级加密方法结合。通过量子密钥加密，可以保证控制指令的安全性，防止恶意攻击者窃取或篡改控制指令。
技术框架：整体架构包括以下几个主要模块：1) 离线MPC求解器：用于离线求解有限时域二次MPC问题，得到分段仿射控制律。2) 量子密钥分发模块：用于生成和分发共享量子密钥，保证密钥的安全性。3) 加密模块：使用共享量子密钥对在线控制评估过程进行加密。4) 解密模块：使用共享量子密钥对接收到的加密控制指令进行解密。5) 执行器：根据解密后的控制指令执行控制动作。整个流程是：传感器将状态信息发送到云端，云端根据状态信息和离线计算的控制律计算控制指令，然后使用量子密钥加密控制指令，并将加密后的指令发送到执行器，执行器使用相同的量子密钥解密指令并执行。
关键创新：论文最重要的技术创新点在于将量子密钥分发技术与显式MPC相结合，提出了一种轻量级的加密MPC方法。与传统的基于同态加密的MPC方法相比，该方法具有更低的在线计算复杂度，更适合于资源受限的系统。此外，使用量子密钥分发技术可以提供更高的安全性，防止密钥被破解。
关键设计：论文的关键设计包括：1) 采用分段仿射控制律的显式MPC，降低在线计算复杂度。2) 使用Bell对生成共享量子密钥，并采用量子密钥分发协议保证密钥的安全性。3) 设计了一种轻量级的加密协议，用于加密在线控制评估过程。具体加密方法未知，论文中可能未详细描述。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
论文通过数值实验验证了所提出的量子加密显式MPC方法的有效性。实验结果表明，该方法在保证控制系统安全性的前提下，比经典的加密MPC方法具有更低的在线计算复杂度。具体的性能数据（例如，计算时间、加密/解密时间等）和对比基线（例如，基于同态加密的MPC方法）未知，需要在论文中查找。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于对安全性要求较高的工业控制系统、智能电网、自动驾驶等领域。在这些领域中，控制系统往往面临着来自网络攻击的威胁，使用量子加密技术可以有效提高系统的安全性，防止恶意攻击者篡改控制指令，保证系统的稳定运行。未来，随着量子计算和量子通信技术的不断发展，该方法有望得到更广泛的应用。
📄 摘要（原文）
This paper studies quantum-encrypted explicit MPC for constrained discrete-time linear systems in a cloud-based architecture. A finite-horizon quadratic MPC problem is solved offline to obtain a piecewise-affine controller. Shared quantum keys generated from Bell pairs and protected by quantum key distribution are used to encrypt the online control evaluation between the sensor and actuator. Based on this architecture, we develop a lightweight encrypted explicit MPC protocol, prove exact recovery of the plaintext control action, and characterize its computational efficiency. Numerical results demonstrate lower online complexity than classical encrypted MPC, while security is discussed in terms of confidentiality of plant data and control inputs.