[논문 리뷰] Experimental Cryptographic Verification for Near-Term Quantum Cloud Computing

Xi Chen, Bin Cheng외 5명|arXiv (Cornell University)|2018. 08. 22.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 양자 클라우드 컴퓨팅을 위한 암호학적 검증 기반 기술을 제안하며, 양자 능력이 없는 고전적 클라이언트가 원격에 위치한 양자 서버의 양자성을 검증할 수 있도록 한다. 비밀 문자열을 난잡하게 배열된 즉각적 양자 다항식(IQP) 회로에 인코딩하고 출력 확률 편향을 측정함으로써, 고전적 시뮬레이션을 탐지할 수 있다. 5 큐비트 NMR 프로세서에서의 실험적 검증 결과, 노이즈 보정 후 약 2.5%의 오차를 기록했으며, IBM의 5- 및 16-큐비트 클라우드 프로세서는 높은 노이즈 수준(~42% 오차)으로 실패하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 양자 클라우드 서버가 진정으로 양자 계산을 수행하고 있는지, 아니면 고전적 자원으로 시뮬레이션하고 있는지 확인하는 데 있어 핵심적인 과제를 해결하기 위해.
• 클라이언트가 양자 능력을 갖추지 않아도 되는 검증 프로토콜을 개발하여, 원격 양자 서비스를 이용하는 고전적 사용자에게 실용성을 제공하기 위해.
• 근접한 노이즈 있는 조건에서 실세계 양자 하드웨어, 즉 NMR 및 IBM 양자 프로세서를 대상으로 이 기술의 실현 가능성을 테스트하기 위해.
• 양자 우월성이 주장될 경우, 노이즈에 대한 이 검증 방법의 강건성과 실용성을 평가하기 위해.
• 양자 클라우드 서비스 제공자가 진정으로 양자 우위를 입증할 수 있도록 실용적인 기준을 설정하기 위해.

제안 방법

• 클라이언트는 비밀 고전적 문자열을 준비하고 이를 난잡하게 배열된 즉각적 양자 다항식(IQP) 회로에 인코딩하여, 고전적 메시지로 양자 서버에 전송한다.
• 양자 서버는 회로를 실행하고 특정 측정 결과 집합에 대한 출력 확률 분포를 반환한다.
• 클라이언트는 지정된 출력 문자열(예: 비밀 벡터)의 확률 편향을 계산하고, 이상적인 조건에서 기대되는 양자 값과 비교한다.
• 이 기반 기술은 진정한 양자 출력 분포와 균일한(고전적) 분포를 구분하는 데 있어 암호학적 난이도에 기반하며, 출력 문자열 확률의 편향에 의존한다.
• 실험 데이터에 대해 노이즈 보정 기법을 적용하여, 특히 NMR 환경에서의 정밀도 추정치를 향상시킨다.
• 프로토콜은 5 큐비트 핵자기공명(NMR) 양자 프로세서와 IBM의 5- 및 16-큐비트 클라우드 프로세서에 구현되어 비교 평가가 이루어졌다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 완전히 고전적인 클라이언트가 양자 자원이나 전체 양자 알고리즘 실행 없이도 원격에 위치한 양자 서버의 양자성을 검증할 수 있는가?
• RQ2 근접한 양자 프로세서에서의 노이즈에 대해 IQP 기반 검증 기반 기술이 얼마나 강건한가?
• RQ3 노이즈 보정된 NMR 프로세서의 실험 데이터가 고전적 시뮬레이션과 비교해 얼마나 잘 검증 테스트를 통과할 수 있는가?
• RQ4 검증 기반 기술이 진정된 양자 계산과 고전적 시뮬레이션을 성공적으로 구분하기 위해 필요한 허용 오차 한계는 어느 정도인가?
• RQ5 양자 클라우드 제공자가 양자 우월성을 달성한다고 주장할 경우, 이 기술이 실용적으로 적용될 수 있는가?

주요 결과

• 표준 노이즈 보정 기법을 적용한 후, 5 큐비트 NMR 양자 프로세서에서의 실험적 구현 결과, 검증 오차가 약 2.5%로 도출되었다.
• IBM의 양자 클라우드 프로세서(5-큐비트 및 16-큐비트 모두)의 정밀도는 검증 테스트를 통과할 정도로 낮았으며, 오차율은 약 42%였다.
• IBM 기기에서의 출력 확률 편향은 완전히 혼합된 상태와 유사한 것으로 나타나, 강한 노이즈 유도 디코herence와 양자 보존성의 상실을 시사했다.
• 검증 기반 기술은 NMR 프로세서의 양자 성격을 성공적으로 탐지하였으며, 제어된 노이즈 조건 하에서 진정된 양자 행동과 고전적 시뮬레이션을 구분할 수 있음을 입증하였다.
• 결과적으로 현재의 클라우드 기반 양자 프로세서는 확장성은 갖추고 있지만, 이 기반 기술 기준으로는 아직 충분히 양자 보존성을 확보하지 못하고 있음을 시사한다.
• 본 연구는 하드웨어 정밀도가 충분히 높을 경우, 이 기반 기술이 근접한 시기의 검증에 실용적임을 입증하였으며, 클라우드 양자 시스템에서의 오류 완화 향상의 필요성을 강조한다.