Blind oracular quantum computation : from concept to physical implementation

Gustiani, Cica; Hassler, Fabian; DiVincenzo, David

doi:10.18154/RWTH-2021-01620

Blind oracular quantum computation : from concept to physical implementation

Gustiani, Cica^RWTH*

2020 & 2021

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Cica Gustiani, M.Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2020

Umfang1 Online-Ressource (viii, 226 Seiten) : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2021

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
DiVincenzo, David (Thesis advisor) ; Hassler, Fabian (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2020-11-26

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2021-01620
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/812041/files/812041.pdf

Einrichtungen

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

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.

Recent years have seen much excitement for application of quantum computing, triggered by substantial — and ongoing — advances in experimental realizations of quantum computing. It is widely believed that client-server is the setting for quantum computers that will prevail in the future, where privacy becomes crucial in the application. Moreover, a recent experiment by Barz et al. [1] successfully demonstrated a blind quantum computation scheme: a client-server quantum computation in which a client with limited quantum power controls the execution of a quantum computation on a powerful server, without revealing valuable details of the computation. In this thesis, we discuss the Blind Oracular Quantum Computation (BOQC) scheme, a blind quantum computing scheme in which a third party (the oracle)with limited quantum power, assists the execution of a client’s oracular quantum computations by implementing oracle evaluations. In BOQC, a client with limited quantum power and without the capacity to construct the oracle, can delegate her oracular quantum computations to a powerful yet untrustworthy server, with the help of the oracle. We show that BOQC is provably blind within a composable definition such that the server cannot learn about the clients’ computation. We provide a realization of BOQC in a physical setting, particularly in a diamond nitrogen-vacancy (NV) center platform. In BOQC, the server has a One-Way Quantum Computer (1WQC) that is resource-demanding. To lower the resource-requirements, we develop the BOQCo protocol, a BOQC that employs lazy 1WQC to minimize the number of qubits needed. We also provide systematic numerical optimization to find resource states that are BOQC-compatible by admitting BOQC security criteria. Finally, we give explicit oracular quantum algorithms that are BOQC-compatible to be executed on the NV-center platform. The algorithms include 2-qubit Grover’s algorithm using three qubits, 3-qubit exact Grover’s algorithm using four qubits, 2-qubit Simon’s algorithm with a useless oracle using four qubits, and Deutsch’s algorithm using three physical qubits. We hope that these BOQC algorithms intrigue some experimentalists to try to implement them.[1] S. Barz et al. “Demonstration of Blind Quantum Computing”. In: Science 335.6066 (2012), pp. 303–308.

OpenAccess:
PDF
(zusätzliche Dateien)