[论文解读] Impossibility of perfectly-secure delegated quantum computing for classical client

Tomoyuki Morimae, Takeshi Koshiba|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2014

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 5

一句话总结

本文证明，除非 BQP ⊆ NP，否则经典客户端无法实现单轮完全安全的委托量子计算。该结果揭示了一个根本性限制：在标准复杂性假设下，同时实现完全保密性和正确性是不可能的，这意味着当前单轮协议下，从经典客户端到量子服务器的完全安全委托量子计算极不可能实现。

ABSTRACT

Blind quantum computing protocols enable a client, who can generate or measure single-qubit states, to delegate quantum computing to a remote quantum server protecting the client's privacy (i.e., input, output, and program). With current technologies, generations or measurements of single-qubit states are not too much burden for the client. In other words, secure delegated quantum computing is possible for almost classical clients. However, is it possible for a classical client? Here we consider a one-round perfectly-secure delegated quantum computing, and show that the protocol cannot satisfy both the correctness (i.e., the correct result is obtained when the server is honest) and the perfect blindness (i.e., the client's privacy is completely protected) simultaneously unless BQP is in NP. Since BQP is not believed to be in NP, the result suggests the impossibility of the one-round perfectly-secure delegated quantum computing.

研究动机与目标

• 研究经典客户端是否能够在保持完全隐私的前提下，安全地将量子计算委托给远程量子服务器。
• 分析确保委托量子计算中正确性和完全保密性的单轮协议的可行性。
• 在标准复杂性假设下，特别是关于 BQP 与 NP 之间关系的前提下，确定此类协议是否存在。
• 为完全安全的委托量子计算（经典客户端）建立一个理论上的不可能性结果。

提出的方法

• 作者分析了一种单轮委托量子计算协议，其中经典客户端向量子服务器发送量子态，并接收测量结果。
• 他们对正确性（当服务器诚实执行时结果正确）和完全保密性（不泄露输入、输出或程序的任何信息）的要求进行建模。
• 证明采用复杂性理论论证，表明如果此类协议存在，则 BQP 必须包含于 NP。
• 该论证依赖于协议同时满足正确性和完全保密性的假设。
• 不可能性结果源于广泛相信的猜想：BQP 不包含于 NP。

实验结果

研究问题

• RQ1 经典客户端是否能够在单轮协议中安全地将量子计算委托给远程量子服务器，同时确保完全保密性？
• RQ2 在单轮委托量子计算中，能否同时满足正确性和完全保密性？
• RQ3 如果此类协议存在，会带来哪些复杂性理论后果？
• RQ4 此类协议的存在是否意味着 BQP 包含于 NP？

主要发现

• 除非 BQP ⊆ NP，否则经典客户端无法实现单轮完全安全的委托量子计算协议。
• 该结果意味着在标准复杂性假设下，完全保密性和正确性无法同时实现。
• 不可能性源于根本性的复杂性理论障碍，而非当前硬件的技术限制。
• 该证明依赖于广泛持有的信念：BQP 不包含于 NP，因此在实践中此类协议不可能实现。