[论文解读] Quantum Locker Using a Novel Verification Algorithm and Its Experimental Realization in IBM Quantum Computer

Avinash Dash, Sumit Rout+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 14, 2017

Quantum Information and Cryptography参考文献 45被引用 16

一句话总结

该论文提出了一种基于新型弱测量验证算法的量子锁协议，可确定性地区分任意单量子比特叠加态与本征态，从而实现安全的量子一次性口令（OTP）系统。该协议仅在正确验证了动态生成且不可重复使用的量子OTP后才允许消息检索，实验验证在IBM Quantum硬件上实现了高保真度。

ABSTRACT

It is well known that Grover's algorithm asymptotically transforms an equal superposition state into an eigenstate (of a given basis). Here, we demonstrate a verification algorithm based on weak measurement which can achieve the same purpose even if the qubit is not in an equal superposition state. The proposed algorithm highlights the distinguishability between any arbitrary single qubit superposition state and an eigenstate. We apply this algorithm to propose the scheme of a Quantum Locker, a protocol in which any legitimate party can verify his/her authenticity by using a newly developed quantum One-Time Password (OTP) and retrieve the necessary message from the locker. We formally explicate the working of quantum locker in association with the quantum OTP, which theoretically offers a much higher security against any adversary, as compared to any classical security device.

研究动机与目标

• 开发一种验证算法，能够在初始态未知且非等幅的情况下，区分任意叠加态与本征态。
• 解决现有量子搜索算法在初始态非等幅叠加或系数未知时失效的局限性。
• 设计一种利用量子一次性口令（OTP）的量子锁系统，实现安全的消息检索，确保信息无法被克隆或重放。
• 在IBM Quantum平台上实验实现所提出的验证算法与量子锁协议，实现高保真度。
• 证明该协议即使在对抗性条件下也能防止消息泄露，通过单次使用后销毁OTP实现。

提出的方法

• 验证算法在辅助量子比特上采用弱测量，以概率性方式将任意叠加态坍塌为本征态，测量结果指示输入为本征态或叠加态。
• 协议使用受控-NOT（CNOT）和Toffoli（CCNOT）门结构，仅在OTP量子比特在验证后坍塌为|0⟩时，才将消息量子比特有条件地转移到空闲量子比特。
• 量子OTP通过随机参数（θ₁, θ₂, θ₃）生成，制备单量子比特态|ϕ⟩ = cos(θ₁)|0⟩ + sin(θ₁)e^{iθ₂}|1⟩，由于 no-cloning 定理而不可复制。
• 消息编码在独立的量子比特寄存器中，仅当所有OTP量子比特均被验证为|0⟩时，才通过C^{n+1}NOT门（n个OTP量子比特）将消息转移至空闲量子比特寄存器。
• 该协议在IBM Quantum Experience上使用真实量子硬件实现，保真度通过态层析成像测量，并与理想结果进行比较。
• 通过迭代重复验证过程，增强正确本征态检测的概率，尽管弱测量具有概率性，仍实现了渐近确定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否存在一种量子验证算法，可在不知晓态振幅的情况下，区分任意叠加态与本征态？
• RQ2 此类验证算法是否可用于构建安全、不可克隆的一次性口令系统，以实现量子信息的检索？
• RQ3 如何利用弱测量的概率特性，在实践中实现高保真度、确定性的量子OTP验证？
• RQ4 在近场量子硬件上实现所提出的量子锁协议的实验可行性与保真度如何？
• RQ5 当使用错误或非本征态OTP时，该协议在多大程度上可防止消息泄露？

主要发现

• 所提出的验证算法即使在初始态非等幅或未知时，也能以高保真度成功区分任意叠加态与本征态。
• 通过迭代弱测量，算法实现了本征态识别的渐近确定性，将失败概率降低至可忽略水平。
• 量子锁协议仅在提供正确量子OTP时才允许安全的消息检索，且OTP在使用后被销毁，确保一次性访问。
• 在IBM Quantum硬件上的实验实现展示了状态制备与验证的高保真度（接近理想值），验证了协议的可行性。
• 即使输入错误OTP，协议也能防止消息泄露，因为验证机制确保仅在成功坍塌至|0⟩时才允许消息传输。
• 使用多个量子比特作为OTP（例如n=3）可增强安全性，系统要求所有OTP量子比特均坍塌至|0⟩才能传输消息，显著降低未授权访问的可能性。