[논문 리뷰] Blind quantum computation using the central spin Hamiltonian

Minh C. Tran, Jacob M. Taylor|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 11.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 1인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 중심 스핀 해밀토니안을 사용하여 단일 중심 스핀을 통해 클라이언트가 양자 시뮬레이터를 제어하는 보편적인 블라인드 양자 계산 프로토콜을 제안한다. 이는 오직 이방향 양자 통신만을 통해 안전하고 위임된 양자 계산을 가능하게 하며, 키 암호화된 게이트 시퀀스를 통해 블라인드성을 확보하고, 고전적 방식에서 BQP 수준까지 서버의 양자 계산 능력을 검증할 수 있다.

ABSTRACT

Blindness is a desirable feature in delegated computation. In the classical setting, blind computations protect the data or even the program run by a server. In the quantum regime, blind computing may also enable testing computational or other quantum properties of the server system. Here we propose a scheme for universal blind quantum computation using a quantum simulator capable of emulating Heisenberg-like Hamiltonians. Our scheme is inspired by the central spin Hamiltonian in which a single spin controls dynamics of a number of bath spins. We show how, by manipulating this spin, a client that only accesses the central spin can effectively perform blind computation on the bath spins. Remarkably, two-way quantum communication mediated by the central spin is sufficient to ensure security in the scheme. Finally, we provide explicit examples of how our universal blind quantum computation enables verification of the power of the server from classical to stabilizer to full BQP computation.

연구 동기 및 목표

• 위임된 양자 계산에서 클라이언트의 프라이버시를 보호하는 보편적인 블라인드 양자 계산 프로토콜을 개발하는 것.
• 중앙 스핀 해밀토니안을 안전하고 클라이언트가 제어하는 양자 시뮬레이션의 플랫폼으로 활용하는 것.
• 고전적 및 제한된 양자 통신만을 사용하여 서버의 양자 계산 능력을 고전적 수준에서 BQP 수준까지 검증할 수 있도록 하는 것.
• 고대역폭의 양자 채널에 의존도를 줄이기 위해 오직 한 개의 큐비트를 이원방향 통신에 사용하는 것.

제안 방법

• 조절 가능한 결합 강도와 외부 자기장이 있는 중심 스핀 해밀토니안을 사용하여 배경 스핀 간의 효과적 상호작용을 유도한다.
• 클라이언트는 중심 스핀의 상태를 조작하여, 배경 스핀에 작용하는 효과적 해밀토니안을 결정하는 제어 매개변수를 인코딩한다.
• 클라이언트와 서버가 번갈아가며 진행하는 이중 라운드 프로토콜로, 클라이언트가 서버에게 단일 큐비트를 전송하고 이를 다시 수신함으로써 안전한 게이트 구현이 가능하다.
• 클라이언트는 랜덤 키를 사용하여 계산을 암호화하여, 고전적 제어 신호에 따라 특정 게이트 시퀀스만이 적용되도록 보장한다.
• 보편적인 양자 계산은 원하는 회로를 더 큰 시퀀스에 통합함으로써 달성되며, 이때 올바른 키 조합만 비트리비얼한 게이트를 활성화한다.
• 검증은 고전적으로 확인할 수 있는 결과를 요청함으로써 수행되며, 예를 들어 제품 상태의 순열이나 시몬 문제의 해답 등이 포함된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 최소한의 양자 통신으로 중심 스핀 시스템을 사용하여 블라인드 양자 계산을 달성할 수 있는가?
• RQ2 오직 한 개의 큐비트를 이원방향 통신에 사용하여 클라이언트가 서버에게 보편적인 양자 계산을 안전하게 위임할 수 있는가?
• RQ3 고전적으로 검증 가능한 출력만을 사용하여 서버의 계산 능력을 고전적 수준에서 BQP 수준까지 검증할 수 있는가?
• RQ4 중앙 스핀은 배경 스핀 간의 효과적 상호작용을 어떻게 매개하여 보편적인 게이트 세트를 가능하게 하는가?
• RQ5 허니팟 메커니즘을 사용하여 중심 스핀에 대한 측정 공격을 어떻게 탐지할 수 있는가?

주요 결과

• 프로토콜은 오직 한 개의 큐비트에 대한 이원방향 양자 통신만을 사용하여 보편적인 블라인드 양자 계산을 달성하여 통신 오버헤드를 크게 줄였다.
• 게이트 시퀀스를 고전적 키로 암호화함으로써 보안이 유지되어 서버가 실제로 수행되는 계산을 알 수 없도록 보장한다.
• 시몬 문제와 같은 문제의 해답을 요청함으로써 서버의 양자 계산 능력을 검증할 수 있으며, 이는 양자 우월성이 필요한 문제이다.
• 스테이빌라이저 회로는 양자성의 검증에 사용될 수 있으며, 이는 고전적으로 시뮬레이션 가능하지만 올바르게 구현하기 위해 비트리비얼한 양자 연산이 필요하기 때문이다.
• 프로토콜에서 '허니팟'의 사용은 중심 스핀에 대한 측정 시도를 탐지할 수 있게 하여 보안을 강화한다.
• 중앙 스핀 해밀토니안은 슈리퍼-울프 근사법을 통해 배경 스핀 간의 효과적 스핀-스핀 상호작용을 가능하게 하며, 이는 보편적인 게이트 구현의 기초가 된다.