[논문 리뷰] Masking of Quantum Information is Possible

Tamal Ghosh, S. K. Sarkar외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 01.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 5 큐비트 IBM 양자 컴퓨터에서 양자 회로를 사용하여 복합 양자 시스템에 양자 정보를 마스킹할 수 있음을 보여준다. 얽힌 시스템에 양자 상태를 인코딩하고 양자 상태 토모그래피를 통해 검증함으로써, 수직 상태와 비수직 상태 모두에 대해 높은 정밀도의 마스킹을 확인하였으며, 특정 상태 집합에 대해서는 마스킹 금지 정리에 도전한다.

ABSTRACT

Masking of data is a method to protect information by shielding it from a third party, however keeping it usable for further usages like application development, building program extensions to name a few. Whereas it is possible for classical information encoded in composite quantum states to be completely masked from reduced sub-systems, it has to be checked if quantum information can also be masked when the future possibilities of a quantum computer are increasing day by day. Newly proposed no-masking theorem [Phys. Rev. Lett. 120, 230501 (2018)], one of the no-go theorems, demands that except for some restricted sets of non-orthogonal states, it's impossible to mask arbitrary quantum states. Here, we explore the possibility of masking in the IBM quantum experience platform by designing the quantum circuits and running them on the 5-qubit quantum computer. We choose two particular states considering both the orthogonal and non-orthogonal basis states and illustrate their masking through both the theoretical calculation as well as verification in the quantum computer. By quantum state tomography, it is concluded that the experimental results are collected with high fidelity and hence the possibility of masking is realized.

연구 동기 및 목표

• 마스킹 금지 정리의 제약에도 불구하고 복합 양자 시스템에서 양자 정보가 마스킹될 수 있는지 조사하기 위해.
• 특히 비수직 상태인 임의의 양자 상태가 실제 양자 프로세서에서 마스킹 가능한지 테스트하기 위해.
• IBM Quantum Experience 플랫폼에서의 실험적 구현을 통해 이론적 마스킹 프로토콜을 검증하기 위해.
• 양자 상태 토모그래피를 사용하여 마스킹된 양자 상태의 정밀도를 평가하기 위해.

제안 방법

• 수직 상태와 비수직 상태 모두를 포함한 특정 양자 상태를 5 큐비트 시스템에 인코딩하기 위한 양자 회로 설계하기.
• 양자 정보를 여러 큐비트에 분산시켜 부분 시스템이 원래 상태에 대한 정보를 드러내지 않도록 하여 마스킹 프로토콜을 구현하기.
• 실제 양자 계산 환경을 시뮬레이션하기 위해 회로를 5 큐비트 IBM 양자 프로세서에서 실행하기.
• 출력 상태에 대해 양자 상태 토모그래피를 수행하여 밀도 행렬을 재구성하고 정밀도를 평가하기.
• 이론적 예측과 실험 결과를 비교하여 마스킹 효과의 타당성 검증하기.
• 비수직 상태 집합에 초점을 맞춰 마스킹 금지 정리의 제약 조건 하에서 결과 분석하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 특정 비수직 상태 집합에 제한된 조건에서 복합 양자 시스템에서 양자 정보가 효과적으로 마스킹될 수 있는가?
• RQ2 마스킹 금지 정리는 실제로 임의의 양자 상태 마스킹을 어느 정도 제한하는가?
• RQ3 IBM의 5 큐비트 장치와 같은 실제 양자 프로세서에서 마스킹 프로토콜은 얼마나 정확하게 구현되고 검증될 수 있는가?
• RQ4 양자 상태 토모그래피로 측정한 마스킹된 양자 상태의 정밀도는 얼마인가?
• RQ5 노이즈가 있는 중규모 양자(NISQ) 장치에서의 실험적 구현은 마스킹의 이론적 예측을 확인하는가?

주요 결과

• 연구팀은 5 큐비트 IBM 양자 프로세서에서 설계한 양자 회로를 사용하여 수직 상태와 비수직 상태 모두를 성공적으로 마스킹하였다.
• 양자 상태 토모그래피를 통해 마스킹된 상태의 높은 정밀도 재구성이 확인되어, 부분 시스템이 정보를 드러내지 않도록 효과적으로 정보가 차단된 것으로 나타났다.
• 실험 결과는 이론적 예측과 밀도적으로 일치하여, 실제 하드웨어 조건에서 마스킹 프로토콜의 타당성이 검증되었다.
• 결과는 특정 비수직 상태 집합에 대해서는 마스킹이 가능함을 시사하며, 마스킹 금지 정리의 일반성에 도전한다.
• 마스킹된 상태의 정밀도는 개별 부분 시스템에서 정보가 숨겨져 있음을 확인할 수 있을 정도로 유지되었으며, 향후 처리에 활용 가능함을 나타낸다.