Blind oracular quantum computation : from concept to physical implementation

Gustiani, Cica; DiVincenzo, David (Thesis advisor); Hassler, Fabian (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2020, 2021)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020

Kurzfassung

Durch erhebliche — und anhaltende — Fortschritte bei den experimentellen Realisierungen des Quantencomputers in den vergangenen Jahren haben potentielle Anwendungen eines Quantencomputers zunehmend an Interesse gewonnen. Es wird allgemein angenommen, dass das Client-Server-Modell den Rahmen für Quantencomputer bildet, der sich in Zukunft durchsetzen wird, wobei die Garantie des Datenschutzes in der Implementation von entscheidender Bedeutung sein wird. Darüber hinaus hat ein kürzlich durchgeführtes Experiment von Barz et al. [1] erfolgreich ein blindes Quantenberechnungsschema demonstriert: eine Client-Server-Quantenberechnung, bei der ein Client mit begrenzter Quantenleistung die Ausführung einer Quantenberechnung auf einem leistungsstarken Server steuert, ohne wertvolle Details der Berechnung preiszugeben. In dieser Arbeit diskutieren wir das Blind Oracular Quantum Computation (BOQC) Schema, ein Blind Quantum Computing-Schema, bei dem eine dritte Partei (das Orakel) mit begrenzter Quantenleistung die Ausführung der orakulären Quanten-berechnungen eines Kunden durch die Implementierung des Orakels unterstützt. In BOQC kann ein Client mit begrenzter Quantenleistung und ohne die Fähigkeit, das Orakel selbst zu implementieren, seine Orakel-quantenberechnungen an einen leistungsstarken, aber nicht vertrauenswürdigen Server delegieren. Wir zeigen, dass BOQC innerhalb einer komponierbaren Definition beweisbar blind ist, sodass der Server nichts über die Berechnung der Clienten erfahren kann. Wir geben hier eine Realisierung von BOQC in einem physikalischen System, insbesondere in einer NV-Plattform (Diamond Nitrogen Vacancy). In BOQC verfügt der Server über einen Einweg-Quantencomputer (1WQC), der eine Großzahl an Ressourcen beansprucht. Um den Ressourcenbedarf zu senken, entwickeln wir das BOQCo-Protokoll, ein BOQC, welches Lazy 1WQC verwendet. Wir entwickeln auch ein systematisches numerisches Optimierungsverfahren, um Ressourcenzustände zu finden, die BOQC-kompatibel sind und die BOQC-Sicherheitskriterien erfüllen. Schlussendlich geben wir explizite orakuläre Quantenalgorithmen, die BOQC-kompatibel sind und auf der NV-Center-Plattform implementiert werden können. Diese Algorithmen umfassen den 2-Qubit-Grover-Algorithmus mit drei Qubits, den 3-Qubit-exakten Grover-Algorithmus mit vier Qubits, den 2-Qubit-Simon-Algorithmus mit einem useless Orakel mit vier Qubits und den Deutsch-Algorithmus mit drei physischen Qubits. Wir hoffen, dass diese BOQC-Algorithmen einige Experimentatoren dazu veranlassen, zu versuchen sie zu implementieren.[1] S. Barz et al. “Demonstration of Blind Quantum Computing”. In: Science 335.6066 (2012), pp. 303–308.

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