[论文解读] Masking of Quantum Information into Restricted Set of states

Tamal Ghosh, S. K. Sarkar+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 1, 2019

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 6

一句话总结

本论文通过在 IBM Quantum Experience 平台上使用量子线路，实验验证了量子信息可被隐藏于受限的量子态集合中，特别是两体系统中的正交态以及三体系统中的任意态。结果表明，仅当态满足特定条件（公式 6）时，隐藏才可能实现，正交态情况下的保真度超过 98%，三体系统中超过 95%，从而在受限条件下对无隐藏定理的普遍性提出了挑战。

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.

研究动机与目标

• 探究尽管存在无隐藏定理，量子信息是否仍可被隐藏于受限的量子态集合中。
• 在两体和三体量子系统中，测试隐藏的理论条件，特别是公式 (6)。
• 通过实际量子硬件（IBM Quantum Experience）和量子态层析技术，实验验证隐藏过程。
• 比较在隐藏条件下，正交态、非正交态和任意态之间的保真度表现。
• 确定在无特定系数限制的情况下，三体系统中是否仍可实现隐藏。

提出的方法

• 在 IBM Quantum Experience 平台上设计量子线路，以编码特定的两量子比特和三量子比特态。
• 实施量子态层析技术以重建密度矩阵，并评估理论态与实验态之间的保真度。
• 将无隐藏定理的条件（公式 6）作为判断给定态在理论上是否可能实现隐藏的标准。
• 在 5 量子比特的 IBM 量子芯片 'ibmqx4' 和 'ibmq_ourense' 上运行实验，以测试正交态和任意态配置下的隐藏效果。
• 分析测量结果的统计参数（均值、标准差、最大值、最小值），以评估一致性与保真度。
• 将实验获得的保真度值与理论预测进行比较，以验证隐藏过程。

实验结果

研究问题

• RQ1 满足公式 (6) 条件的正交两量子比特态是否可实现量子信息隐藏？
• RQ2 无隐藏定理是否具有普遍性？是否存在某些受限态集合，使得隐藏仍可实现？
• RQ3 在无特定系数限制的情况下，三体量子系统中是否仍可实现隐藏？
• RQ4 在两体系统中，正交态、非正交态和任意态在隐藏条件下的保真度表现如何比较？
• RQ5 在真实量子硬件上，通过量子层析技术对隐藏态进行态重建的实验保真度是多少？

主要发现

• 正交两量子比特态的理论密度矩阵与实验密度矩阵之间的保真度超过 98%，证实了在 IBM 量子芯片上实现了高保真度隐藏。
• 对于不满足公式 (6) 的任意两量子比特态，保真度降至 82%，表明在这些条件下隐藏不可行。
• 在三体系统中，所有测试态的保真度均超过 95%，无论系数取值如何，表明隐藏无需限制条件即可实现。
• 隐藏正交态的平均保真度为 0.1948（标准差：0.0039），最大值和最小值分别为 0.2010 和 0.1880，表明结果高度一致。
• 三体系统的实验结果表明，各态的平均保真度在 0.0125 至 0.2439 之间，均处于可接受误差范围内，且与隐藏过程一致。
• 本研究证实，只有当量子信息与目标态集合满足特定数学条件（公式 6）时，隐藏才可能实现；而在三体系统中，该条件并非必需。