[論文レビュー] Composable secure multi-client delegated quantum computation

Monireh Houshmand, Mahboobeh Houshmand+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2018

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 9被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、限られた量子能力を持つ複数のクライントが、サーバーおよび互いに対して自身のデータと回路を隠したまま、共同でグローバルなユニタリを計算できる、合成可能で検証可能かつ安全なマルチクライント・デリゲートド量子計算プロトコルを提示する。この方式は、任意の合成可能で検証可能な単一クライント・デリゲートド量子計算プロトコルと量子認証コードを組み合わせ、合計誤差バウンドが $\epsilon^{\text{n-bv}} = (mn)\epsilon^{\text{bb}} + (n(n-1)(m-1) + 2n)\epsilon^{\text{q-sec}}$ となることを達成し、クライント間の量子通信の必要性を排除する。

ABSTRACT

The engineering challenges involved in building large scale quantum computers, and the associated infrastructure requirements, mean that when such devices become available it is likely that this will be in limited numbers and in limited geographic locations. It is likely that many users will need to rely on remote access to delegate their computation to the available hardware. In such a scenario, the privacy and reliability of the delegated computations are important concerns. On the other hand, the distributed nature of modern computations has led to a widespread class of applications in which a group of parties attempt to perform a joint task over their inputs, e.g., in cloud computing. In this paper, we study the multi-client delegated quantum computation problem where we consider the global computation be made up of local computations that are individually decided by the clients. Each client part is kept secret from the server and the other clients. We construct a composable secure multi-client delegated quantum computation scheme from any composable secure single-client delegated quantum computation protocol and quantum authentication codes.

研究の動機と目的

• 限られた量子パワーを持つ相互に信頼できない複数のクライントが、ユニバーサルな量子サーバーに安全に量子計算をデリゲートできる仕組みを提供すること。
• 各クライントの入力とローカル計算が、サーバーおよび他のクライントからもプライベートであることを保証すること。
• ユニバーサルコンポジビリティ（UC）フレームワークにおける合成可能なセキュリティを達成し、より大きなプロトコルのサブルーチンとして使用しても耐性を保つこと。
• クライントがサーバーのプロトコルからの逸脱を検出できるように、検証可能性を実現すること。
• クライント間の量子通信を排除し、古典的認証チャネルに依存するようにプロトコルを最適化すること。

提案手法

• 任意の合成可能で検証可能な単一クライント・デリゲートド量子計算（DQC）プロトコルと量子認証コード（QAC）を組み合わせることで、個々のクライントの入力と回路を保護する。
• 各クライントの量子入力は、QACを介した量子ワンタイムパッドによって認証された後、サーバーに送信され、機密性が保証される。
• プロトコルは二段階の実行を採用：第一に、クライント1が自身の入力に対してブラインドで検証可能なDQCプロトコルを実行する。第二に、クライント2は認証済み出力を自身のDQCの入力として使用し、各段階で誤差検出が行われる。
• 検証可能性は、下位の単一クライントDQCプロトコルにおけるトラップベースまたは安定化子テスト技術の組み合わせにより達成され、正しさが保証される。
• セキュリティの証明にはユニバーサルコンポジビリティ（UC）フレームワークが用いられ、実世界のプロトコルが理想の機能と区別不能であることを示している。誤差は無視できる程度である。
• 最終的なプロトコルは、クライント間の量子通信を排除するように最適化され、鍵交換および誤差シグナル伝送にはすべて古典的認証チャネルに依存する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 各クライントの入力とローカルユニタリが、サーバーおよび他のクライントからも隠されたままとなるようなマルチクライント・デリゲートド量子計算プロトコルを構築可能か？
• RQ2 このようなプロトコルが合成可能なセキュリティを達成可能か。これにより、より大きなプロトコルのサブルーチンとして使用しても耐性を保証できるか？
• RQ3 検証可能性がマルチクライント環境でも維持可能か。これによりクライントはサーバーの不正行為を検出可能か？
• RQ4 クライント間の量子通信を排除し、古典的認証チャネルに依存するようにプロトコルを最適化可能か？
• RQ5 組み合わせたプロトコルの合計誤差バウンドは、下位のコンponentsの誤差を用いてどのように表されるか？

主な発見

• 提案されたプロトコルは、任意の合成可能で検証可能な単一クライントDQCプロトコルと量子認証コードを組み合わせることで、マルチクライント・デリゲートド量子計算における合成可能なセキュリティを達成する。
• プロトコルは、各クライントの入力とローカル計算が、サーバーおよび他のクライントからも隠されたままになることを保証する。これは、誠実だが好奇心の強い行動に対しても成立する。
• 誤差検出メカニズムを各段階に組み込むことで、検証可能性が維持され、逸脱が検出された場合にはクライントが中止できる。
• nクライントプロトコルの合計誤差は、$\epsilon^{\text{n-bv}} = (mn)\epsilon^{\text{bb}} + (n(n-1)(m-1) + 2n)\epsilon^{\text{q-sec}}$ でバウンドされ、ここで $\epsilon^{\text{bb}}$ はブラインド検証の誤差、$\epsilon^{\text{q-sec}}$ は量子認証の誤差を表す。
• プロトコルは、クライント間の量子通信を排除するように最適化され、鍵交換および誤差シグナル伝送にはすべて古典的認証チャネルに依存する。
• セキュリティの証明は、任意の数のクライントおよび任意のローカルユニタリに拡張可能であり、誤差はクライント数およびユニタリ数に対して線形にスケーリングされる。