[논문 리뷰] Full-Blind Delegating Private Quantum Computation

Wenjie Liu, Zhen-Yu Chen외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 02.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 5인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 {H, P, CNOT, T} 유니버설 게이트 세트를 사용하여 전면 블라인드 개인용 양자 계산(FDQC) 프로토콜을 제안한다. 이 프로토콜은 대상 게이트를 고정된 순서 {H, P, T, CZ, CNOT}로 대체하고 Toffoli 게이트 복호화 회로를 최적화하여 데이터와 계산 블라인드를 동시에 달성한다. 이로 인해 클라이언트의 입력, 출력, 알고리즘에 대한 정보 泄漏 없이도 안전하고 기밀 유지된 양자 계산을 보장한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기존 반 블라인드 DQC 프로토콜에서 발생하는 정보 泄漏 문제, 특히 Toffoli 게이트 복호화 회로에서의 문제를 해결하기 위해.
• 클라이언트의 입력과 출력뿐 아니라 위임된 양자 연산(즉, 계산 블라인드)까지 보호함으로써 전면 블라인드를 달성하기 위해.
• 실제 계산을 숨기기 위해 고정된 블라인드 순서로 대체함으로써 효율성과 보안성을 향상시키기 위해.
• 표준 양자 게이트 세트와 호환되는 안전하고 유니버설한 양자 계산 위임 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• {H, P, CNOT, T} 세트에 속한 각 위임 게이트를 실제 계산을 서버가 추측할 수 없도록 고정된 순서 {H, P, T, CZ, CNOT}로 대체하기 위해.
• Toffoli(T) 게이트의 복호화 회로를 최적화하여 중복을 줄이고 효율성을 향상시키기 위해.
• 유니버설한 양자 계산을 보장하기 위해 {H, P, CNOT, T} 유니버설 게이트 세트를 사용하기 위해.
• 클라이언트의 입력, 출력 및 양자 연산 순서가 서버에게 노출되지 않도록 프로토콜을 설계하기 위해.
• 데이터 및 연산 수준에서 모두 블라인드를 확보하기 위해 양자 호모모르픽 암호화 원리를 적용하기 위해.
• 표준 양자 암호 기반 보안 가정 하에 정확성과 기밀성을 보장하기 위해 프로토콜를 형식화하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 양자 계산 위임 프로토콜이 동시에 데이터 블라인드와 계산 블라인드를 달성할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 전면 블라인드를 달성하면서도 계산 유니버설리티를 유지할 수 있는 최소한의 유니버설 양자 게이트 세트는 무엇인가?
• RQ3 Toffoli 게이트의 복호화 회로를 최적화하여 중복을 줄이고 정보 泄漏를 방지할 수 있는가?
• RQ4 양자 회로의 기능적 결과에 영향을 주지 않으면서도 계산을 블라인드로 만들 수 있는 연산 순서는 무엇인가?
• RQ5 서버가 클라이언트의 알고리즘에 대해 어떤 정보도 드러내지 않도록 프로토콜를 어떻게 구성할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 FDQC 프로토콜은 데이터 블라인드와 계산 블라인드를 성공적으로 달성하여 서버가 클라이언트의 입력, 출력, 또는 수행 중인 특정 양자 연산에 대해 아무런 정보도 알 수 없음을 보장한다.
• 최적화된 Toffoli 게이트 복호화 회로는 중복을 줄이고 이전 프로토콜에서 존재하던 잠재적 정보 泄漏를 방지한다.
• 고정된 게이트 순서 {H, P, T, CZ, CNOT}의 사용은 실제 계산을 효과적으로 가림으로써 서버가 의도한 양자 알고리즘을 추측할 수 없도록 한다.
• 프로토콜는 정확성과 유니버설리티를 유지하여 {H, P, CNOT, T} 게이트 세트를 사용해 어떤 양자 계산도 안전하게 위임할 수 있다.
• 형식적 분석을 통해 프로토콜가 주어진 가정 하에 전면 블라인드의 보안 요구사항을 충족함을 확인하였다.
• 프로토콜는 기존 양자 컴퓨팅 프레임워크와 호환되며 표준 양자 하드웨어로도 구현 가능하다.