[论文解读] Blind quantum computation using the central spin Hamiltonian

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

Quantum Information and Cryptography参考文献 1被引用 8

一句话总结

该论文提出了一种使用中心自旋哈密顿量的通用盲量子计算协议，其中客户端通过单个中心自旋控制量子模拟器，实现仅需双向量子通信的隐私保护、委托式量子计算。该方案通过密钥加密的门序列确保盲性，并可从经典计算到BQP级别验证服务器的量子计算能力。

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.

研究动机与目标

• 开发一种通用盲量子计算协议，以在委托式量子计算中保护客户端隐私。
• 利用中心自旋哈密顿量作为平台，实现安全、由客户端控制的量子模拟。
• 仅使用经典通信和有限的量子通信，从经典到BQP级别验证服务器的量子计算能力。
• 通过仅使用单个量子比特进行双向通信，减少对高带宽量子信道的依赖。

提出的方法

• 协议使用可调耦合强度和外加磁场的中心自旋哈密顿量，以介导浴自旋之间的有效相互作用。
• 客户端通过操控中心自旋的量子态来编码控制参数，从而决定作用于浴自旋的有效哈密顿量。
• 采用两轮协议，客户端与服务器交替操作，客户端向服务器发送一个量子比特并接收返回，实现安全的门操作。
• 客户端使用随机密钥对计算进行加密，确保仅当经典控制信号匹配特定密钥组合时，才应用非平凡门。
• 通过将所需电路嵌入更大的序列中，仅当正确密钥组合激活时，非平凡门才被应用，从而实现通用量子计算。
• 通过请求经典可验证的结果（如产物态的排列或西蒙问题的解）来执行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在仅使用最小量子通信的中心自旋系统中实现盲量子计算？
• RQ2 客户端能否仅使用单个量子比特进行双向通信，安全地委托通用量子计算给服务器？
• RQ3 该方案能否仅通过经典可验证的输出，从经典到BQP级别验证服务器的计算能力？
• RQ4 中心自旋在介导浴自旋之间有效相互作用以实现通用门集的过程中起什么作用？
• RQ5 如何利用蜜罐机制检测对中心自旋的测量攻击？

主要发现

• 该协议仅通过单个量子比特的双向量子通信，实现了通用盲量子计算，显著降低了通信开销。
• 通过使用经典密钥加密门序列，确保服务器无法获知实际执行的计算内容，从而维持安全性。
• 通过请求西蒙问题等需要量子优势的问题的解，可验证服务器的量子计算能力。
• 可使用稳定器电路进行量子性验证，因为它们虽可经典模拟，但正确实现需非平凡的量子操作。
• 协议中引入的“蜜罐”机制可检测对中心自旋的测量尝试，从而增强安全性。
• 中心自旋哈密顿量通过施莱弗-沃尔夫近似，实现了浴自旋之间的有效自旋-自旋相互作用，为通用门实现奠定了基础。