[논문 리뷰] Impossibility of perfectly-secure delegated quantum computing for classical client

Tomoyuki Morimae, Takeshi Koshiba|arXiv (Cornell University)|2014. 07. 07.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 BQP ⊆ NP이 아니면, 고전적 클라이언트의 경우 한 번의 라운드로 완전히 안전한 위임된 양자 계산이 불가능하다는 것을 증명한다. 이 결과는 근본적인 제한을 보여주며, 표준 복잡도 가정 하에 완전한 익명성과 정확성 둘 다 동시에 달성하는 것은 불가능하다는 것을 의미한다. 이는 현재의 한 라운드 프로토콜로는 고전적 클라이언트에서 양자 서버로 완전히 안전한 위임을 구현하는 것이 어렵다는 것을 암시한다.

ABSTRACT

Blind quantum computing protocols enable a client, who can generate or measure single-qubit states, to delegate quantum computing to a remote quantum server protecting the client's privacy (i.e., input, output, and program). With current technologies, generations or measurements of single-qubit states are not too much burden for the client. In other words, secure delegated quantum computing is possible for almost classical clients. However, is it possible for a classical client? Here we consider a one-round perfectly-secure delegated quantum computing, and show that the protocol cannot satisfy both the correctness (i.e., the correct result is obtained when the server is honest) and the perfect blindness (i.e., the client's privacy is completely protected) simultaneously unless BQP is in NP. Since BQP is not believed to be in NP, the result suggests the impossibility of the one-round perfectly-secure delegated quantum computing.

연구 동기 및 목표

• 고전적 클라이언트가 원격에 있는 양자 서버에 양자 계산을 안전하게 위임할 수 있는지, 특히 완전한 기밀성을 유지할 수 있는지 조사하기.
• 위임된 양자 계산에서 정확성과 완전한 익명성을 동시에 보장하는 한 라운드 프로토콜의 실현 가능성 분석하기.
• 특히 BQP와 NP 간의 관계에 관해 표준 복잡도 가정 하에 이러한 프로토콜이 존재할 수 있는지 판단하기.
• 고전적 클라이언트를 위한 완전히 안전한 위임된 양자 계산에 대해 이론적으로 불가능한 결과를 수립하기.

제안 방법

• 저자들은 고전적 클라이언트가 양자 상태를 양자 서버에 전송하고 측정 결과를 수신하는 한 라운드 위임된 양자 계산 프로토콜을 분석한다.
• 정확성(서버가 정직할 경우 올바른 결과가 도출됨)과 완전한 익명성(입력, 출력, 프로그램에 대한 정보가 泄露되지 않음)의 요구 조건을 모델링한다.
• 증명은 복잡도 이론적 추론을 사용하며, 이러한 프로토콜이 존재한다면 BQP는 NP에 포함되어야 한다고 보여준다.
• 이 추론은 프로토콜이 정확성과 완전한 익명성을 동시에 만족한다고 가정하는 데 기반한다.
• 불가능성 결과는 BQP가 NP에 포함되지 않는 것으로 널리 믿어지는 추측에 기반한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고전적 클라이언트가 원격에 있는 양자 서버에 한 라운드 프로토콜로 양자 계산을 안전하게 위임하면서도 완전한 익명성을 확보할 수 있는가?
• RQ2 한 라운드 위임된 양자 계산에서 정확성과 완전한 익명성을 동시에 달성하는 것이 가능한가?
• RQ3 이러한 프로토콜이 존재한다면 어떤 복잡도 이론적 결과가 도출되는가?
• RQ4 이러한 프로토콜의 존재가 BQP가 NP에 포함됨을 암시하는가?

주요 결과

• BQP ⊆ NP이 아니면, 고전적 클라이언트의 경우 한 라운드로 완전히 안전한 위임된 양자 계산 프로토콜은 존재할 수 없다.
• 결과적으로 표준 복잡도 가정 하에 완전한 익명성과 정확성은 동시에 달성될 수 없다.
• 불가능성은 현재 하드웨어의 기술적 한계가 아니라 근본적인 복잡도 이론적 장벽에서 기인한다.
• 증명은 BQP가 NP에 포함되지 않는 것으로 널리 믿어지는 믿음에 기반하므로, 실질적으로 이러한 프로토콜은 불가능하다.