[論文レビュー] Experimental Cryptographic Verification for Near-Term Quantum Cloud Computing

Xi Chen, Bin Cheng+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 22, 2018

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、近い将来の量子クラウドコンピューティングのための暗号的検証方式を提案しており、量子能力を必要としない古典的クライアントが、リモートの量子サーバーが真正に量子計算を実行しているかどうかを検証できる。秘密の文字列をスキャンブルドされたインスタントリウス・量子多項式（IQP）回路に埋め込み、出力確率バイアスを測定することで、古典的シミュレーションの検出が可能となる。実験的検証では、5キュービットのNMRプロセッサでノイズ補正後約2.5%の誤差を達成したが、IBMの5キュービットおよび16キュービットのクラウドプロセッサは高いノイズレベル（約42%の誤差）のため失敗した。

ABSTRACT

Recently, there are more and more organizations offering quantum-cloud services, where any client can access a quantum computer remotely through the internet. In the near future, these cloud servers may claim to offer quantum computing power out of reach of classical devices. An important task is to make sure that there is a real quantum computer running, instead of a simulation by a classical device. Here we explore the applicability of a cryptographic verification scheme that avoids the need of implementing a full quantum algorithm or requiring the clients to communicate with quantum resources. In this scheme, the client encodes a secret string in a scrambled IQP (instantaneous quantum polynomial) circuit sent to the quantum cloud in the form of classical message, and verify the computation by checking the probability bias of a class of output strings generated by the server. We provided a theoretical extension and implemented the scheme on a 5-qubit NMR quantum processor in the laboratory and a 5-qubit and 16-qubit processors of the IBM quantum cloud. We found that the experimental results of the NMR processor can be verified by the scheme with about $2.5\%$ error, after noise compensation by standard techniques. However, the fidelity of the IBM quantum cloud is currently too low to pass the test (about $42\%$ error). This verification scheme shall become practical when servers claim to offer quantum-computing resources that can achieve quantum supremacy.

研究の動機と目的

• 量子クラウドサーバーが真正に量子計算を実行しているのか、それとも古典的リソースによるシミュレーションに過ぎないのかを特定するという、極めて重要な課題に取り組むこと。
• クライアントに量子能力を一切要求しない検証プロトコルを開発することで、遠隔の量子サービスを利用する古典的ユーザーにとって実用的であることを目指すこと。
• NMRおよびIBM量子プロセッサを含む実世界の量子ハードウェア上で、この方式の実現可能性を近い将来のノイズの多い環境下でテストすること。
• ノイズに対する検証手法のロバストネスを評価し、量子優位性が主張された場合の実用性を検討すること。
• 量子クラウドサービスプロバイダーが真正の量子優位性を示すための実用的ベンチマークを確立すること。

提案手法

• クライアントは秘密の古典的文字列を生成し、それをスキャンブルドされたインスタントリウス・量子多項式（IQP）回路にエンコードし、古典的メッセージとして量子サーバーに送信する。
• 量子サーバーは回路を実行し、特定の測定結果の集合に対する出力確率分布を返す。
• クライアントは指定された出力文字列（例：秘密ベクトル）の確率バイアスを計算し、理想状態での期待される量子値と比較する。
• この方式は、真の量子出力分布と一様（古典的）分布を区別する暗号的難解性に依存しており、出力文字列確率のバイアスに基づく。
• 実験データに対してノイズ補正技術を適用し、特にNMR実装における忠実度推定を向上させる。
• プロトコルは5キュービットの核磁気共鳴（NMR）量子プロセッサおよびIBMの5キュービットおよび16キュービットのクラウドプロセッサに実装され、比較的評価が行われた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 完全に古典的なクライアントが、量子リソースや完全な量子アルゴリズムの実行を一切要せず、リモートの量子サーバーの量子性を検証できるか？
• RQ2 近い将来の量子プロセッサにおけるノイズに対して、IQPに基づく検証方式はどの程度ロバストか？
• RQ3 ノイズ補正を施したNMRプロセッサの実験データが、ノイズの多いクラウドベースの実装と比較して、検証テストにどの程度合格できるか？
• RQ4 検証方式が本物の量子計算と古典的シミュレーションを明確に区別できるために必要な忠実度のしきい値は何か？
• RQ5 量子クラウドプロバイダーが量子優位性を達成すると主張する状況でも、この方式は実用的に適用可能か？

主な発見

• 標準的なノイズ補正技術を適用した5キュービットのNMR量子プロセッサでの実験的実装では、検証誤差が約2.5%に達した。
• IBMの量子クラウドプロセッサ（5キュービットおよび16キュービット）の忠実度は、検証テストに合格するには低く、誤差率は約42%であった。
• IBMデバイスの出力確率バイアスは、完全に混合状態に近いことが判明し、強いノイズ誘発性デコherenceと量子コherーの維持不能を示している。
• 検証方式はNMRプロセッサの量子的性質を成功裏に検出でき、制御されたノイズ下で本物の量子行動と古典的シミュレーションを区別できることを示した。
• 結果から、現在のクラウドベースの量子プロセッサはスケーラビリティに優れているものの、この方式の暗号的検証を通過するにはまだ十分にコherーントではないことが示された。
• 本研究は、ハードウェア忠実度が十分に高い場合には、この提案方式が近い将来の検証に実用的であることを示しており、クラウド量子システムにおける誤り低減の向上が求められることを強調している。