[论文解读] Masking of Quantum Information is Possible

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

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 7

一句话总结

本论文展示了如何在5量子比特IBM量子计算机上的量子线路中，利用复合量子系统对量子信息进行掩蔽。通过在纠缠系统中编码量子态，并利用量子态层析技术进行验证，研究证实了对正交态与非正交态的高保真度掩蔽，挑战了特定态集的不可掩蔽定理。

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

• 探究在不可掩蔽定理的约束下，量子信息是否仍可在复合量子系统中实现掩蔽。
• 检验在真实量子处理器上对任意量子态（特别是非正交态）进行掩蔽的可行性。
• 通过在IBM Quantum Experience平台上实验实现理论掩蔽协议。
• 利用量子态层析技术评估掩蔽态的保真度以进行验证。

提出的方法

• 设计量子线路，将特定的量子态（包括正交态与非正交态）编码至5量子比特系统中。
• 通过将量子信息分布在多个量子比特上，实现掩蔽协议，使得约化子系统无法揭示原始态的信息。
• 在IBM 5量子比特量子处理器上执行电路，以模拟真实量子计算环境。
• 对输出态执行量子态层析，重建密度矩阵并评估保真度。
• 将理论预测与实验结果进行比较，以验证掩蔽的有效性。
• 在不可掩蔽定理的约束下分析结果，重点关注非正交态集的情形。

实验结果

研究问题

• RQ1 当受限于特定非正交态集时，是否能有效在复合量子系统中实现量子信息掩蔽？
• RQ2 不可掩蔽定理在实际中在多大程度上限制了对任意量子态的掩蔽？
• RQ3 掩蔽协议在像IBM 5量子比特设备这样的真实量子处理器上，能以多高的准确度实现与验证？
• RQ4 通过量子态层析测量，掩蔽态的保真度是多少？
• RQ5 在噪声中等规模量子（NISQ）设备上的实验实现，是否证实了理论预测的掩蔽效果？

主要发现

• 本研究成功利用设计的量子线路，在5量子比特IBM量子处理器上对正交态与非正交态均实现了掩蔽。
• 量子态层析证实了掩蔽态的高保真度重建，表明信息被有效屏蔽，无法从约化子系统中获取。
• 实验结果与理论预测高度吻合，验证了在真实硬件条件下掩蔽协议的有效性。
• 结果表明，针对特定非正交态集，掩蔽是可行的，从而挑战了不可掩蔽定理的普遍性。
• 掩蔽态的保真度保持在足够水平，证实信息被隐藏于各子系统之外，同时仍可用于后续处理。