[论文解读] Composable secure multi-client delegated quantum computation

Monireh Houshmand, Mahboobeh Houshmand+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2018

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 9被引用 5

一句话总结

本文提出了一种可组合、可验证且安全的多客户端委托量子计算协议，使多个量子能力有限的客户端能够联合在他们的私有输入上执行全局酉操作，同时确保其数据和电路对服务器及其他客户端保持隐藏。该方案将任意可组合的单客户端委托量子计算协议与量子认证码相结合，实现安全，总误差界为 $\epsilon^{\text{n-bv}} = (mn)\epsilon^{\text{bb}} + (n(n-1)(m-1) + 2n)\epsilon^{\text{q-sec}}$，并消除了客户端之间量子通信的需求。

ABSTRACT

The engineering challenges involved in building large scale quantum computers, and the associated infrastructure requirements, mean that when such devices become available it is likely that this will be in limited numbers and in limited geographic locations. It is likely that many users will need to rely on remote access to delegate their computation to the available hardware. In such a scenario, the privacy and reliability of the delegated computations are important concerns. On the other hand, the distributed nature of modern computations has led to a widespread class of applications in which a group of parties attempt to perform a joint task over their inputs, e.g., in cloud computing. In this paper, we study the multi-client delegated quantum computation problem where we consider the global computation be made up of local computations that are individually decided by the clients. Each client part is kept secret from the server and the other clients. We construct a composable secure multi-client delegated quantum computation scheme from any composable secure single-client delegated quantum computation protocol and quantum authentication codes.

研究动机与目标

• 为解决多个互不信任且量子能力有限的客户端安全地将量子计算委托给通用量子服务器的挑战。
• 确保每个客户端的输入及其本地计算对服务器和其他客户端保持私密。
• 在通用可组合性（UC）框架中实现可组合安全性，保证其作为更大协议子程序使用时的鲁棒性。
• 提供可验证性，使客户端能够检测服务器对协议的任何偏离。
• 通过消除客户端之间量子通信的需求，实现协议优化，仅依赖经典认证信道。

提出的方法

• 将任意可组合、可验证的单客户端委托量子计算（DQC）协议与量子认证码（QACs）组合，以保护各客户端的输入和电路。
• 每个客户端的量子输入在发送给服务器前，通过QAC使用量子一次性密码进行认证，确保机密性。
• 协议采用两阶段执行：第一阶段，客户端1在其输入上运行盲化、可验证的DQC协议；第二阶段，客户端2将经过认证的输出作为其自身DQC的输入，且在每个阶段均设有错误检测。
• 通过底层单客户端DQC协议中的基于陷阱或稳定子检测技术实现可验证性，确保正确性。
• 安全性证明基于通用可组合性（UC）框架，表明真实协议与理想功能在可忽略误差范围内不可区分。
• 最终协议经过优化，消除了客户端之间的量子通信，仅依赖经典认证信道进行密钥交换与错误信号传递。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否构建一种多客户端委托量子计算协议，使得每个客户端的输入和本地酉操作对服务器及其他客户端保持私密？
• RQ2 该协议能否实现可组合安全性，确保其作为更大协议子程序使用时的鲁棒性？
• RQ3 在多客户端环境中能否保持可验证性，使客户端能够检测服务器的欺骗行为？
• RQ4 能否对协议进行优化，消除客户端之间的量子通信，仅依赖经典认证信道？
• RQ5 所组合协议的总误差界如何表示为底层组件误差的函数？

主要发现

• 所提出的协议通过将任意可组合、可验证的单客户端DQC协议与量子认证码相结合，实现了多客户端委托量子计算的可组合安全性。
• 该协议确保每个客户端的输入及其本地计算对服务器和其他客户端保持隐藏，即使在诚实但好奇的行为模型下亦成立。
• 通过计算各阶段的错误检测机制保持可验证性，使客户端在检测到偏离时可中止协议。
• n客户端协议的总误差受以下界约束：$\epsilon^{\text{n-bv}} = (mn)\epsilon^{\text{bb}} + (n(n-1)(m-1) + 2n)\epsilon^{\text{q-sec}}$，其中$\epsilon^{\text{bb}}$为盲验证的误差，$\epsilon^{\text{q-sec}}$为量子认证的误差。
• 协议已优化，消除了客户端之间的量子通信，仅依赖经典认证信道进行密钥交换与错误信号传递。
• 安全性证明可扩展至任意数量的客户端和任意本地酉操作，误差随客户端数量和酉操作数线性增长。