[论文解读] Experimental Cryptographic Verification for Near-Term Quantum Cloud Computing

Xi Chen, Bin Cheng+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 22, 2018

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种针对近期量子云计算的密码学验证方案，使经典客户端能够在不依赖量子能力的情况下，验证远程量子服务器的量子性。通过将秘密字符串编码到随机化的即时量子多项式（IQP）线路中，并测量输出概率偏差，该方案能够检测经典模拟；在5量子比特NMR处理器上的实验验证显示，噪声补偿后误差约为2.5%，而IBM的5-和16-量子比特云处理器由于高噪声水平（约42%误差）而失败。

ABSTRACT

Recently, there are more and more organizations offering quantum-cloud services, where any client can access a quantum computer remotely through the internet. In the near future, these cloud servers may claim to offer quantum computing power out of reach of classical devices. An important task is to make sure that there is a real quantum computer running, instead of a simulation by a classical device. Here we explore the applicability of a cryptographic verification scheme that avoids the need of implementing a full quantum algorithm or requiring the clients to communicate with quantum resources. In this scheme, the client encodes a secret string in a scrambled IQP (instantaneous quantum polynomial) circuit sent to the quantum cloud in the form of classical message, and verify the computation by checking the probability bias of a class of output strings generated by the server. We provided a theoretical extension and implemented the scheme on a 5-qubit NMR quantum processor in the laboratory and a 5-qubit and 16-qubit processors of the IBM quantum cloud. We found that the experimental results of the NMR processor can be verified by the scheme with about $2.5\%$ error, after noise compensation by standard techniques. However, the fidelity of the IBM quantum cloud is currently too low to pass the test (about $42\%$ error). This verification scheme shall become practical when servers claim to offer quantum-computing resources that can achieve quantum supremacy.

研究动机与目标

• 解决关键挑战：验证量子云服务器是否真正执行量子计算，而非仅用经典资源模拟。
• 开发一种客户端无需具备量子能力的验证协议，使其适用于访问远程量子服务的经典用户。
• 在真实量子硬件（包括NMR和IBM量子处理器）上测试该方案在近期噪声条件下的可行性。
• 评估该验证方法对噪声的鲁棒性，并评估当宣称实现量子优越性时其可行性。
• 为量子云服务提供商建立一个实用基准，以证明真正的量子优势。

提出的方法

• 客户端准备一个秘密经典字符串，并将其编码到一个随机化的即时量子多项式（IQP）线路中，作为经典消息发送给量子服务器。
• 量子服务器执行该线路，并返回特定测量结果集合的输出概率分布。
• 客户端计算指定输出字符串（例如，秘密向量）的概率偏差，并与理想条件下预期的量子值进行比较。
• 该方案依赖于区分真实量子输出分布与均匀（经典）分布的密码学困难性，基于输出字符串概率的偏差。
• 对实验数据应用噪声补偿技术以提高保真度估计，尤其在NMR实现中。
• 该协议在5量子比特核磁共振（NMR）量子处理器和IBM的5-和16-量子比特云处理器上实现，用于对比评估。

实验结果

研究问题

• RQ1 纯粹的经典客户端能否在不依赖量子资源或完整量子算法执行的情况下，验证远程量子服务器的量子性？
• RQ2 IQP-based验证方案在近期量子处理器噪声环境下的鲁棒性如何？
• RQ3 NMR处理器经噪声补偿的实验数据在多大程度上能通过验证测试，相较于噪声较高的云环境实现？
• RQ4 验证方案成功区分真实量子计算与经典模拟所需的保真度阈值是多少？
• RQ5 当量子云服务提供商宣称实现量子优越性时，该方案是否具有实际应用价值？

主要发现

• 在5量子比特NMR量子处理器上的实验实现，应用标准噪声补偿技术后，验证误差约为2.5%。
• IBM量子云处理器（包括5-和16-量子比特）的保真度过低，无法通过验证测试，误差率约为42%。
• IBM设备的输出概率偏差接近完全混合态，表明噪声引起的退相干严重，量子相干性未能保持。
• 该验证方案成功检测到NMR处理器的量子特性，证明其在受控噪声条件下能够区分真实量子行为与经典模拟。
• 结果表明，尽管当前云基量子处理器具备可扩展性，但其相干性尚不足以通过该方案的密码学验证。
• 本研究证实，当硬件保真度足够高时，所提出的方案在近期验证中具有可行性，凸显了云量子系统中改进错误缓解的必要性。