[论文解读] Classical command of quantum systems via rigidity of CHSH games

Ben W. Reichardt, Falk Unger+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 3, 2012

Quantum Information and Cryptography参考文献 49被引用 14

一句话总结

本文展示了经典实验者如何通过利用CHSH游戏的刚性特性，经典地操控一个两体量子系统，证明了在大量此类游戏中获胜会迫使系统进入接近最大纠缠的EPR态并使用最优测量。关键成果是一项设备无关的协议，用于认证和控制量子动力学，从而实现设备无关的量子密钥分发以及使用不可信设备的可信量子计算。

ABSTRACT

Can a classical system command a general adversarial quantum system to realize arbitrary quantum dynamics? If so, then we could realize the dream of device-independent quantum cryptography: using untrusted quantum devices to establish a shared random key, with security based on the correctness of quantum mechanics. It would also allow for testing whether a claimed quantum computer is truly quantum. Here we report a technique by which a classical system can certify the joint, entangled state of a bipartite quantum system, as well as command the application of specific operators on each subsystem. This is accomplished by showing a strong converse to Tsirelson's optimality result for the Clauser-Horne-Shimony-Holt (CHSH) game: the only way to win many games is if the bipartite state is close to the tensor product of EPR states, and the measurements are the optimal CHSH measurements on successive qubits. This leads directly to a scheme for device-independent quantum key distribution. Control over the state and operators can also be leveraged to create more elaborate protocols for reliably realizing general quantum circuits.

研究动机与目标

• 解决在设备无关方式下验证和控制不可信量子设备的挑战。
• 解决长期存在的开放问题：经典系统是否能够命令敌对量子系统执行任意量子动力学。
• 为仅通过经典交互实现的设备无关量子密码学与量子验证提供理论基础。
• 建立一种协议，可在不假设设备完整性或隔离性的情况下认证纠缠与门操作。
• 将量子自检验的适用性扩展到实际量子协议，如量子密钥分发与量子电路验证。

提出的方法

• 利用CHSH游戏的刚性特性，认证两体量子系统处于接近EPR态张量积的态。
• 采用自适应与非自适应策略的CHSH游戏序列，验证纠缠与测量算符。
• 应用量子隐形传态协议，将验证者的量子操作传递至证明者，确保正确实现。
• 采用三轮协议结构，防止证明者之间通信，避免通过最终消息交换进行欺骗。
• 利用Tsirelson界及其强对偶性，证明仅接近最优的量子策略才能实现高CHSH获胜概率。
• 引入两名新证明者以模拟验证者的量子计算，避免在多轮协议中重复使用原始证明者带来的漏洞。

实验结果

研究问题

• RQ1 经典系统是否能在不信任其内部操作或不假设设备隔离的前提下，验证并控制量子系统？
• RQ2 在访问受限的情况下，量子力学对经典系统控制量子系统施加了何种限制？
• RQ3 是否可能仅通过与不可信量子设备的经典交互，实现设备无关的量子密钥分发？
• RQ4 非局域游戏的刚性特性如何用于同时认证纠缠与特定量子操作？
• RQ5 经典验证者是否能够在不可信设备上模拟量子计算，同时确保正确性与安全性？

主要发现

• 唯一能以高概率赢得大量CHSH游戏的方式，是系统接近EPR态的张量积，并使用最优CHSH测量。
• 赢得CHSH游戏的成功概率受Tsirelson界约束，任何接近最优性的策略在结构上必须等价于理想量子策略。
• 经典验证者可使用重复的CHSH游戏，认证两个不可信量子设备的联合态与门操作。
• 该协议通过在不依赖设备假设的情况下验证纠缠与测量保真度，实现了设备无关的量子密钥分发。
• 该方案在理论上是高效的，所需交互次数与所需量子电路规模呈多项式关系。
• 通过使用新证明者与三轮协议结构，可防止通过证明者间通信进行欺骗，确保验证过程的可靠性。