[論文レビュー] Blind quantum computation using the central spin Hamiltonian

Minh C. Tran, Jacob M. Taylor|arXiv (Cornell University)|Jan 11, 2018

Quantum Information and Cryptography参考文献 1被引用数 8

ひとこと要約

本稿は、中心スピンハミルトニアンを用いた普遍的な暗黙の量子計算プロトコルを提案する。クライアントは1つの中心スピンを介して量子シミュレータを制御し、二方向の量子通信のみで安全で委譲型の量子計算を実現する。このスキームでは、鍵暗号化されたゲートシーケンスにより盲検性を確保し、古典的からBQPレベルまでのサーバーの量子計算能力の検証を可能にする。

ABSTRACT

Blindness is a desirable feature in delegated computation. In the classical setting, blind computations protect the data or even the program run by a server. In the quantum regime, blind computing may also enable testing computational or other quantum properties of the server system. Here we propose a scheme for universal blind quantum computation using a quantum simulator capable of emulating Heisenberg-like Hamiltonians. Our scheme is inspired by the central spin Hamiltonian in which a single spin controls dynamics of a number of bath spins. We show how, by manipulating this spin, a client that only accesses the central spin can effectively perform blind computation on the bath spins. Remarkably, two-way quantum communication mediated by the central spin is sufficient to ensure security in the scheme. Finally, we provide explicit examples of how our universal blind quantum computation enables verification of the power of the server from classical to stabilizer to full BQP computation.

研究の動機と目的

• 委譲型量子計算におけるクライアントのプライバシーを保護する普遍的な暗黙の量子計算プロトコルの開発を目的とする。
• 中心スピンハミルトニアンを、安全でクライアント制御の下での量子シミュレーションのプラットフォームとして活用することを目的とする。
• 古典的および限定的な量子通信のみを用いて、サーバーの量子計算能力を古典的からBQPレベルまで検証できるようにすることを目的とする。
• 高帯域幅の量子チャネルへの依存を減らすために、二方向通信に1量子ビットのみを用いることの実現を目的とする。

提案手法

• 可調節な結合強度と外部磁場を有する中心スピンハミルトニアンを用い、バスタスポールスピン間の有効相互作用を媒介する。
• クライアントは中心スピンの状態を操作し、バスタスポールスピンに作用する有効ハミルトニアンを決定する制御パrameterを符号化する。
• クライアントとサーバーが交互に参加する二ラウンドプロトコルを採用し、クライアントがサーバーに1量子ビットを送信し、それを受信することで、安全なゲート実装を実現する。
• クライアントはランダムな鍵を用いて計算を暗号化し、古典的制御信号に基づき特定のゲートシーケンスのみが適用されることを保証する。
• 望ましい回路をより大きなシーケンスに埋め込むことで、普遍的な量子計算を達成し、正しい鍵の組み合わせのみが非自明なゲートを活性化する。
• 検証は、積状態の置換やシモン問題の解など、古典的に検証可能な出力を要求することで実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最小限の量子通信で、中心スピン系を用いて暗黙の量子計算を実現できるか？
• RQ2 1量子ビットの二方向通信のみを用いて、クライアントが安全に普遍的な量子計算をサーバーに委譲できるか？
• RQ3 古典的に検証可能な出力のみを用いて、サーバーの計算能力を古典的からBQPレベルまで検証できるか？
• RQ4 中心スピンは、バスタスポールスピン間の有効相互作用をどのように媒介し、普遍的なゲートセットの実現を可能にするか？
• RQ5 ハニーポット機構を用いて、中心スピンに対する測定攻撃を検出できるか？

主な発見

• 本プロトコルは、1量子ビットの二方向量子通信のみで普遍的な暗黙の量子計算を実現し、通信オーバーヘッドを顕著に低減する。
• ゲートシーケンスを古典的鍵で暗号化することで、サーバーが実行中の計算内容を特定できないようにし、セキュリティを維持する。
• シモン問題のような、量子優位性を要請する問題の解を要求することで、サーバーの量子計算能力の検証が可能になる。
• 安定化回路を用いることで量子性の検証が可能になる。安定化回路は古典的にシミュレート可能だが、正しく実装するには非自明な量子操作を要する。
• プロトコルにおける「ハニーポット」の使用により、中心スピンに対する測定試行の検出が可能になり、セキュリティが強化される。
• 中心スピンハミルトニアンは、シュリーファー＝ウォルフ近似を介してバスタスポールスピン間の有効スピンスピン相互作用を生成し、普遍的ゲート実装の基盤を形成する。