[论文解读] Full-Blind Delegating Private Quantum Computation

Wenjie Liu, Zhen-Yu Chen+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 2, 2020

Quantum Information and Cryptography参考文献 5被引用 6

一句话总结

本文提出了一种使用通用门集 {H, P, CNOT, T} 的全盲委托量子计算（FDQC）协议，通过将目标门替换为固定序列 {H, P, T, CZ, CNOT} 并优化 controlled-TOFFOLI 门的解密电路，实现了数据和计算的双重盲化。该协议确保了安全、私密的量子计算，且不会泄露客户端输入、输出或算法的任何信息。

ABSTRACT

The delegating private quantum computation (DQC) protocol with the universal quantum gate set $\left\{ {X,Z,H,P,R,CNOT} ight\}$ was firstly proposed by Broadbent \emph{et al.}, and then Tan \emph{et al.} tried to put forward an half-blind DQC protocol (HDQC) with another universal set $\left\{ {H,P,CNOT,T} ight\}$. However, the decryption circuit of \emph{Toffoli} gate (i.e., \emph{T}) is a little redundant, and Tan \emph{et al}.'s protocol exists the information leak. In addition, both of these two protocols just focus on the blindness of data (i.e., the client's input and output), but do not consider the blindness of computation (i.e., the delegated quantum operation). For solving these problems, we propose a full-blind DQC protocol (FDQC) with quantum gate set $\left\{ {H,P,CNOT,T} ight\}$ , where the desirable delegated quantum operation, one of $\left\{ {H,P,CNOT,T} ight\}$ , is replaced by a fixed sequence $\left \{ {H,P,T,CZ,CNOT} ight\}$ to make the computation blind, and the decryption circuit of \emph{Toffoli} gate is also optimized. Analysis shows that our protocol can not only correctly perform any delegated quantum computation, but also holds the characteristics of data blindness and computation blindness.

研究动机与目标

• 为解决现有半盲 DQC 协议中，特别是 controlled-TOFFOLI 门解密电路存在的信息泄露问题。
• 通过保护客户端的输入、输出以及委托的量子操作（即计算盲化），实现全盲化。
• 通过将目标门集替换为固定且盲化的序列，隐藏实际计算，从而提升效率和安全性。
• 提供一个与标准量子门集兼容的、安全的、通用的量子计算委托框架。

提出的方法

• 将 {H, P, CNOT, T} 门集中每个委托门替换为固定序列 {H, P, T, CZ, CNOT}，以隐藏服务器实际执行的计算。
• 对 Toffoli（T）门的解密电路进行优化，以减少冗余并提高效率。
• 使用通用门集 {H, P, CNOT, T} 确保与通用量子计算的兼容性。
• 设计一种协议，使客户端的输入、输出以及量子操作序列对服务器完全隐藏。
• 应用量子同态加密原理，确保在数据和操作两个层面均实现盲化。
• 形式化协议以在标准量子密码学安全假设下保证正确性和隐私性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计量子计算委托协议，使其能同时实现数据盲化和计算盲化？
• RQ2 能够实现全盲化并保持计算通用性的最小通用量子门集是什么？
• RQ3 是否可以对 Toffoli 门的解密电路进行优化，以减少冗余并防止信息泄露？
• RQ4 可以使用何种操作序列来隐藏计算过程，同时不改变量子电路的功能结果？
• RQ5 如何设计协议结构，以确保服务器无法获取客户端算法的任何信息？

主要发现

• 所提出的 FDQC 协议成功实现了数据盲化和计算盲化，确保服务器无法获知客户端的输入、输出或所执行的具体量子操作。
• 优化后的 Toffoli 门解密电路减少了冗余，并消除了先前协议中潜在的信息泄露。
• 使用固定门序列 {H, P, T, CZ, CNOT} 有效隐藏了实际计算，使服务器无法推断出预期的量子算法。
• 该协议保持了正确性和通用性，可使用 {H, P, CNOT, T} 门集安全地委托任意量子计算。
• 形式化分析证实，在给定假设下，该协议满足全盲化的安全要求。
• 该协议与现有量子计算框架兼容，可使用标准量子硬件实现。