[論文レビュー] Quantum Locker Using a Novel Verification Algorithm and Its Experimental Realization in IBM Quantum Computer

Avinash Dash, Sumit Rout+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 14, 2017

Quantum Information and Cryptography参考文献 45被引用数 16

ひとこと要約

本稿では、未知の初期状態で等重率でない状態を含めても任意の単一キュービット重ね合わせ状態と固有状態を決定的に区別できる、新規の弱測定ベースの検証アルゴリズムを用いた量子ロック用プロトコルを提案する。このプロトコルにより、再利用不可の量子ワンタイムパスワード（OTP）の正しく検証された場合にのみメッセージを復元可能となる安全な量子ワンタイムパスワード（OTP）システムを実現する。実験的検証ではIBM Quantumハードウェア上で高い忠実度が達成された。

ABSTRACT

It is well known that Grover's algorithm asymptotically transforms an equal superposition state into an eigenstate (of a given basis). Here, we demonstrate a verification algorithm based on weak measurement which can achieve the same purpose even if the qubit is not in an equal superposition state. The proposed algorithm highlights the distinguishability between any arbitrary single qubit superposition state and an eigenstate. We apply this algorithm to propose the scheme of a Quantum Locker, a protocol in which any legitimate party can verify his/her authenticity by using a newly developed quantum One-Time Password (OTP) and retrieve the necessary message from the locker. We formally explicate the working of quantum locker in association with the quantum OTP, which theoretically offers a much higher security against any adversary, as compared to any classical security device.

研究の動機と目的

• 初期状態が未知で等重率でない場合でも、任意の重ね合わせ状態と固有状態を区別できる検証アルゴリズムの開発。
• 初期状態が等重率の重ね合わせでない、または係数が未知の場合に失敗する既存の量子探索アルゴリズムの限界を克服すること。
• 量子ワンタイムパスワード（OTP）を活用した、情報がクローン不能かつ再送不能であることを保証する安全なメッセージ復元用量子ロックシステムの設計。
• 提案された検証アルゴリズムおよび量子ロックプロトコルをIBM Quantumプラットフォーム上で実験的に実装し、高い忠実度を達成すること。
• 誤ったOTPが使用された場合でも、OTPが1回使用で破壊されるため、メッセージ漏洩を防ぐプロトコルの有効性を示すこと。

提案手法

• 検証アルゴリズムは、補助キュービットに対する弱測定を用いて、任意の重ね合わせ状態を確率的に固有状態に収束させ、測定結果が入力状態が固有状態か重ね合わせ状態かを示す。
• 制御NOT（CNOT）およびトフォリ（CCNOT）ゲート構造を用い、OTPキュービットが検証後に|0⟩に収束した場合にのみ、メッセージキュービットを空のキュービットに転送する。
• 量子OTPは、ランダムなパラメータ（θ₁, θ₂, θ₃）を用いて単一キュービット状態|ϕ⟩ = cos(θ₁)|0⟩ + sin(θ₁)e^{iθ₂}|1⟩を準備することで生成され、no-cloning定理により再現不能である。
• メッセージは別個のキュービットレジスタに符号化され、すべてのOTPキュービットが|0⟩に収束した場合にのみ、C^{n+1}NOTゲートを用いて空のキュービットレジスタに転送される。
• プロトコルはIBM Quantum Experience上で実際の量子ハードウェアを用いて実装され、状態トモグラフィーを用いて忠実度が測定され、理想的な結果と比較された。
• 弱測定の確率的性質を補うために、検証プロセスを反復して実行し、反復により固有状態の検出確率を高め、弱測定の確率的性質にもかかわらず、漸近的決定論的検出を達成した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 測定の初期状態の振幅が事前に分かっていなくても、任意の重ね合わせ状態と固有状態を区別できる量子検証アルゴリズムは存在するか？
• RQ2 このような検証アルゴリズムを用いて、量子情報の復元に使用できる安全でクローン不能なワンタイムパスワードシステムを構築できるか？
• RQ3 弱測定の確率的性質をどのように活用すれば、実用的に高忠実度で決定論的な量子OTP検証を達成できるか？
• RQ4 近い将来の量子ハードウェア上で、提案された量子ロックプロトコルを実装する実験的妥当性と忠実度はどの程度か？
• RQ5 誤ったOTPまたは固有状態でないOTPが使用された場合、プロトコルはどの程度メッセージ漏洩を防げるか？

主な発見

• 提案された検証アルゴリズムは、初期状態が等重率でないか未知であっても、任意の重ね合わせ状態と固有状態を高い忠実度で区別できた。
• 反復的弱測定により、固有状態の検出に漸近的決定論的性質を達成し、失敗確率を無視できるほどに低減した。
• 量子ロックプロトコルは、正しい量子OTPが提供された場合にのみ安全にメッセージを復元可能であり、OTPは使用後に破壊されるため1回限りのアクセスが保証された。
• IBM Quantumハードウェア上での実験的実装により、状態準備および検証において高い状態忠実度（理想的な結果に近い）が達成され、プロトコルの実現可能性が実証された。
• 誤ったOTPが入力されても、メッセージ転送が|0⟩への正常な収束にのみ成功した場合にのみ実行される検証メカニズムのおかげで、メッセージ漏洩が防止された。
• OTPに複数のキュービット（例：n=3）を用いることでセキュリティが向上し、すべてのOTPキュービットが|0⟩に収束した場合にのみメッセージ転送が実行されるため、不正アクセスの確率は著しく低下した。