[논문 리뷰] Quantum Locker Using a Novel Verification Algorithm and Its Experimental Realization in IBM Quantum Computer

Avinash Dash, Sumit Rout외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 14.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 45인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 고유 상태와 임의의 단일 큐비트 초위상 상태를 결정적으로 구별할 수 있는 새로운 약한 측정 기반 검증 알고리즘을 사용하는 양자 락커 프로토콜을 제안한다. 이는 안전한 양자 일회용 비밀번호(OTP) 시스템을 가능하게 하며, 동적으로 생성된 재사용 불가능한 양자 OTP를 정확히 검증한 후에만 메시지를 복구할 수 있도록 보장한다. 실험적으로 IBM Quantum 하드웨어에서 높은 정밀도를 달성하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 초기 상태가 알려져 있지 않거나 등비중량이 아닐 경우에도, 임의의 초위상 상태와 고유 상태를 구별할 수 있는 검증 알고리즘을 개발하는 것.
• 기존의 양자 검색 알고리즘이 초기 상태가 등비중량 초위상이 아니거나 계수 값이 알려져 있지 않을 경우 실패하는 문제를 해결하는 것.
• 양자 일회용 비밀번호(OTP)를 활용하여 보안적인 메시지 복구가 가능한 양자 락커 시스템을 설계하는 것. 이는 정보의 복제나 재생을 방지한다.
• 제안된 검증 알고리즘과 양자 락커 프로토콜을 IBM Quantum 플랫폼에서 실질적인 양자 하드웨어를 사용해 높은 정밀도로 실험적으로 실현하는 것.
• 단 한 번의 사용 후 OTP를 파괴함으로써, 악성 조건 하에서도 메시지 泄露를 방지하는 프로토콜의 가능성을 입증하는 것.

제안 방법

• 검증 알고리즘은 보조 큐비트에 대해 약한 측정을 적용하여 임의의 초위상 상태를 고유 상태로 확률적으로 붕괴시키며, 결과는 입력 상태가 고유 상태인지 초위상 상태인지 나타낸다.
• 제어-NOT(CNOT) 및 토플로리(CCNOT) 게이트 구조를 사용하여, OTP 큐비트가 검증 후 |0⟩으로 붕괴될 경우에만 메시지 큐비트를 빈 큐비트로 조건부로 전송한다.
• 메시지는 별도의 큐비트 레지스터에 인코딩되며, 모든 OTP 큐비트가 |0⟩으로 붕괴된 경우에만 C^{n+1}NOT 게이트를 사용해 빈 큐비트 레지스터로 전송된다.
• 메시지는 별도의 큐비트 레지스터에 인코딩되며, 모든 OTP 큐비트가 |0⟩으로 붕괴된 경우에만 C^{n+1}NOT 게이트를 사용해 빈 큐비트 레지스터로 전송된다.
• 프로토콜은 실제 양자 하드웨어를 사용해 IBM Quantum Experience에서 구현되었으며, 상태 톰그래피를 통해 정밀도를 측정하고 이상적인 결과와 비교하였다.
• 약한 측정의 확률적 성격에도 불구하고 반복적으로 검증 과정을 반복함으로써 고유 상태 탐지의 정확도를 높여, 점차적으로 결정론적 성격을 확보하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 측정의 진폭이 알려져 있지 않은 상태에서, 임의의 초위상 상태와 고유 상태를 식별할 수 있는 양자 검증 알고리즘이 존재하는가?
• RQ2 이러한 검증 알고리즘을 활용하여 양자 정보 복구를 위한 안전하고 복제 불가능한 일회용 비밀번호 시스템을 구축할 수 있는가?
• RQ3 약한 측정의 확률적 성격을 어떻게 활용하여 실질적으로 높은 정밀도를 갖는 결정론적 OTP 검증을 달성할 수 있는가?
• RQ4 근접한 양자 하드웨어에서 제안된 양자 락커 프로토콜을 구현하는 데 있어 실험적 타당성과 정밀도는 어떠한가?
• RQ5 잘못된 또는 고유 상태가 아닌 OTP가 사용될 경우, 프로토콜이 메시지 泄露를 어느 정도 방지하는가?

주요 결과

• 제안된 검증 알고리즘은 초기 상태가 등비중량이 아니거나 알려져 있지 않더라도, 임의의 초위상 상태와 고유 상태를 높은 정밀도로 구별한다.
• 반복적인 약한 측정을 통해 고유 상태 탐지의 정확도를 점차적으로 높여, 실패 확률을 무시할 수준으로 낮추어 점차 결정론적 성격을 확보한다.
• 정확한 양자 OTP가 제공된 경우에만 메시지 복구가 가능하며, OTP는 사용 후 파괴되어 일회용 접근을 보장한다.
• IBM Quantum 하드웨어에서의 실험적 구현은 상태 준비 및 검증 과정에서 이상적인 결과에 근접한 높은 상태 정밀도를 보이며, 프로토콜의 타당성을 검증하였다.
• 잘못된 OTP가 입력되어도, 메시지 전송이 |0⟩으로의 성공적 붕괴 시에만 이루어지므로 메시지 泄露가 방지된다.
• 예를 들어 n=3과 같이 여러 큐비트를 OTP로 사용할 경우 보안성이 향상되며, 모든 OTP 큐비트가 |0⟩으로 붕괴되어야만 메시지 전송이 이루어지므로, 무단 접근 확률을 크게 감소시킨다.