[論文レビュー] Masking of Quantum Information is Possible

Tamal Ghosh, S. K. Sarkar+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2019

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、5キュービットのIBM量子コンピュータ上で量子回路を用いて、複合量子系における量子情報のマスキングが可能であることを示している。エンタングルド系に量子状態を符号化し、量子状態トモグラフィーを用いて検証することで、直交および非直交状態の両方において高い忠実度でのマスキングが確認され、特定の状態集合に対してはノーマスキング定理に挑戦する結果となった。

ABSTRACT

Masking of data is a method to protect information by shielding it from a third party, however keeping it usable for further usages like application development, building program extensions to name a few. Whereas it is possible for classical information encoded in composite quantum states to be completely masked from reduced sub-systems, it has to be checked if quantum information can also be masked when the future possibilities of a quantum computer are increasing day by day. Newly proposed no-masking theorem [Phys. Rev. Lett. 120, 230501 (2018)], one of the no-go theorems, demands that except for some restricted sets of non-orthogonal states, it's impossible to mask arbitrary quantum states. Here, we explore the possibility of masking in the IBM quantum experience platform by designing the quantum circuits and running them on the 5-qubit quantum computer. We choose two particular states considering both the orthogonal and non-orthogonal basis states and illustrate their masking through both the theoretical calculation as well as verification in the quantum computer. By quantum state tomography, it is concluded that the experimental results are collected with high fidelity and hence the possibility of masking is realized.

研究の動機と目的

• ノーマスキング定理の制約のもとでも、複合量子系において量子情報がマスキング可能かどうかを調査すること。
• 特に非直交状態を含む任意の量子状態が、実際の量子プロセッサ上でマスキング可能かどうかを検証すること。
• IBM Quantum Experienceプラットフォーム上で理論的マスキングプロトコルを実験的に実装することによる検証。
• 量子状態トモグラフィーを用いて、マスキングされた量子状態の忠実度を評価すること。

提案手法

• 直交および非直交の両方の特定の量子状態を、5キュービット系に符号化するための量子回路を設計すること。
• 量子情報が複数のキュービットに分散されるようにして、縮約された部分系が元の状態についての情報を露呈しないように、マスキングプロトコルを実装すること。
• 実際の量子計算環境を模倣するために、IBMの5キュービット量子プロセッサ上で回路を実行すること。
• 出力状態に対して量子状態トモグラフィーを実施し、密度行列を再構築して忠実度を評価すること。
• 理論的予測と実験結果を比較することで、マスキング効果の妥当性を検証すること。
• 非直交状態集合に注目し、ノーマスキング定理の制約のもとでの結果を分析すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 特定の非直交状態集合に制限された場合、複合量子系において量子情報が効果的にマスキング可能か？
• RQ2 ノーマスキング定理は、実際の状態マスキングにおいて、任意の量子状態のマスキングをどの程度制限するか？
• RQ3 IBMの5キュービットデバイスのような実際の量子プロセッサ上で、マスキングプロトコルはどの程度正確に実装され、検証可能か？
• RQ4 量子状態トモグラフィーによって測定されたマスキングされた量子状態の忠実度はどの程度か？
• RQ5 ノイジィな中規模量子（NISQ）デバイス上で実験的実装が、マスキングの理論的予測を確認できるか？

主な発見

• 本研究では、5キュービットのIBM量子コンピュータ上で設計された量子回路を用いて、直交および非直交の両方の量子状態を効果的にマスキングした。
• 量子状態トモグラフィーにより、マスキングされた状態の高忠実度再構築が確認され、部分系が元の情報から情報を遮断していることが示された。
• 実験結果は理論的予測とよく一致しており、実ハードウェア環境下でのマスキングプロトコルの妥当性が検証された。
• 結果から、非直交状態の特定の集合に対してはマスキングが可能であることが示され、ノーマスキング定理の普遍性に疑問を呈するものとなった。
• マスキングされた状態の忠実度は、個々の部分系から情報が隠蔽されている一方で、さらなる処理に使用可能であるほど十分に保持されていた。