[論文レビュー] Full-Blind Delegating Private Quantum Computation

Wenjie Liu, Zhen-Yu Chen+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 2, 2020

Quantum Information and Cryptography参考文献 5被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、{H, P, CNOT, T} の普遍ゲートセットを用いた完全盲目的プライベート量子計算（FDQC）プロトコルを提案する。このプロトコルは、目的のゲートを固定されたシーケンス {H, P, T, CZ, CNOT} に置き換えることで、データと計算の両方の盲目的性を達成し、Toffoli ゲートの復号回路を最適化することで、情報漏洩を防止する。このプロトコルにより、クライアントの入力、出力、アルゴリズムに関する情報が一切漏洩しない安全でプライベートな量子計算が実現される。

ABSTRACT

The delegating private quantum computation (DQC) protocol with the universal quantum gate set $\left\{ {X,Z,H,P,R,CNOT} ight\}$ was firstly proposed by Broadbent \emph{et al.}, and then Tan \emph{et al.} tried to put forward an half-blind DQC protocol (HDQC) with another universal set $\left\{ {H,P,CNOT,T} ight\}$. However, the decryption circuit of \emph{Toffoli} gate (i.e., \emph{T}) is a little redundant, and Tan \emph{et al}.'s protocol exists the information leak. In addition, both of these two protocols just focus on the blindness of data (i.e., the client's input and output), but do not consider the blindness of computation (i.e., the delegated quantum operation). For solving these problems, we propose a full-blind DQC protocol (FDQC) with quantum gate set $\left\{ {H,P,CNOT,T} ight\}$ , where the desirable delegated quantum operation, one of $\left\{ {H,P,CNOT,T} ight\}$ , is replaced by a fixed sequence $\left \{ {H,P,T,CZ,CNOT} ight\}$ to make the computation blind, and the decryption circuit of \emph{Toffoli} gate is also optimized. Analysis shows that our protocol can not only correctly perform any delegated quantum computation, but also holds the characteristics of data blindness and computation blindness.

研究の動機と目的

• 既存の半盲目の DQC プロトコルにおける情報漏洩、特に Toffoli ゲートの復号回路に関する問題を解決すること。
• クライアントの入力や出力に加え、委譲された量子操作（すなわち計算の盲視）も保護することで、完全な盲視を達成すること。
• 実際の計算を隠す固定で盲視可能なシーケンスにターゲットゲートセットを置き換えることで、効率性とセキュリティを向上させること。
• 標準的な量子ゲートセットと互換性がある、安全で包括的な量子計算委譲フレームワークを提供すること。

提案手法

• クライアントが委譲する各ゲート {H, P, CNOT, T} を、固定されたシーケンス {H, P, T, CZ, CNOT} に置き換えることで、サーバーが実際の計算内容を把握できないようにする。
• Toffoli（T）ゲートの復号回路を最適化し、冗長性を低減し、効率性を向上させる。
• 普遍ゲートセット {H, P, CNOT, T} を用いることで、普遍的量子計算と互換性を保つ。
• クライアントの入力、出力、および量子操作の順序がすべてサーバーから隠蔽されるプロトコルを設計する。
• 量子ホモモルフィック暗号の原則を適用し、データレベルと操作レベルの両方で盲視を保証する。
• 標準的な量子暗号セキュリティ仮定に基づいて、正しさとプライバシーが保証されるようにプロトコルを形式化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子計算委譲プロトコルは、どのようにして同時にデータと計算の両方の盲視を達成できるか？
• RQ2 完全な盲視を実現しつつ計算の普遍性を維持できる最小限の普遍量子ゲート集合は何か？
• RQ3 Toffoli ゲートの復号回路を最適化することで、冗長性を低減し、情報漏洩を防止できるか？
• RQ4 量子回路の機能的結果を変更せずに、計算を盲視するためにどのような操作シーケンスが利用可能か？
• RQ5 プロトコルは、クライアントのアルゴリズムに関する情報がサーバーに漏洩しないように、どのように構造化できるか？

主な発見

• 提案された FDQC プロトコルは、データの盲視と計算の盲視の両方を成功裏に達成しており、サーバーがクライアントの入力、出力、および実行中の特定の量子操作について何らの情報を得ることはない。
• 最適化された Toffoli ゲートの復号回路により、冗長性が低減され、従来のプロトコルに見られた潜在的な情報漏洩が防止された。
• 固定されたゲートシーケンス {H, P, T, CZ, CNOT} の使用により、実際の計算が隠蔽され、サーバーが意図された量子アルゴリズムを推測することが不可能になる。
• プロトコルは正しさと普遍性を維持しており、{H, P, CNOT, T} ゲートセットを用いて、あらゆる量子計算を安全に委譲可能である。
• 形式的解析により、与えられた仮定の下で、プロトコルが完全な盲視のセキュリティ要件を満たしていることが確認された。
• プロトコルは既存の量子計算フレームワークと互換性があり、標準的な量子ハードウェアで実装可能である。