Ressourceanalyse for kvantestøttet byzantinsk aftale med fire-qubit singlet-staten

Ressourceanalyse for kvantestøttet byzantinsk aftale med fire-qubit singlet-staten

Tidsstempel: 30. april 2024 kl. 11

Zoltán Guba1, István Finta2,3, Ákos Budai1,4,2, Lóránt Farkas2, Zoltán Zimborás4,5, og András Pályi1,6

1Institut for Teoretisk Fysik, Institut for Fysik, Budapest Universitet for Teknologi og Økonomi, Műegyetem rkp. 3., H-1111 Budapest, Ungarn
2Nokia Bell Labs
3Óbuda Universitet
4Wigner Forskningscenter for Fysik, H-1525 Budapest, POBox 49, Ungarn
5Eötvös Universitet, Budapest, Ungarn
6MTA-BME Quantum Dynamics and Correlations Research Group, Műegyetem rkp. 3., H-1111 Budapest, Ungarn

Finder du denne artikel interessant eller vil du diskutere? Scite eller efterlade en kommentar på SciRate.

Abstrakt

I distribueret databehandling er en byzantinsk fejl en tilstand, hvor en komponent opfører sig inkonsekvent og viser forskellige symptomer til forskellige komponenter i systemet. Konsensus mellem de korrekte komponenter kan opnås ved passende udformede kommunikationsprotokoller, selv i nærværelse af byzantinske fejl. Kvantestøttede protokoller bygget på distribuerede sammenfiltrede kvantetilstande er værd at overveje, da de er mere modstandsdygtige end traditionelle. Baseret på tidligere ideer etablerer vi her en parameterafhængig familie af kvantestøttede svage udsendelsesprotokoller. Vi beregner øvre grænser for fejlsandsynlighed for protokollen og definerer og illustrerer en procedure, der minimerer kvanteressourcekravene. Efter tidligere arbejde, der demonstrerer egnetheden af ​​støjende intermediate scale quantum (NISQ) enheder til undersøgelse af kvantenetværk, skaber vi eksperimentelt vores ressourcekvantetilstand på offentligt tilgængelige kvantecomputere. Vores arbejde fremhæver vigtige tekniske aspekter af den fremtidige implementering af kvantekommunikationsprotokoller med multi-qubit entangled states.

Ressourceanalyse for kvantestøttet byzantinsk aftale med fire-qubit singlet-staten PlatoBlockchain Data Intelligence. Lodret søgning. Ai.

Udvalgt billede: Grøn region viser parameterregimet, hvor den konsensusprotokol, vi studerede, garanteret vil fungere. Det vil sige, at i det grønne område kan fejlsandsynligheden for protokollen være øvre afgrænset af en eksponentielt henfaldende funktion af antallet af ressourcetilstande, der bruges til protokollen.

Populært resumé

I distribueret computing er en vigtig udfordring at opnå systempålidelighed i nærvær af defekte komponenter. Dette kræver ofte protokoller for at opnå konsensus blandt komponenterne. Anvendelser af sådanne konsensusprotokoller spænder fra flyflyvningskontrolsystemer til blockchain-teknologier. I dette arbejde analyserer vi en parameterafhængig familie af konsensusprotokoller, der er baseret på entangled multi-partite quantum states, der er fordelt blandt komponenterne. Vi beviser, at protokollen garanterer konsensus i en vis række af dens parametre. Vi etablerer og eksemplificerer en procedure, der minimerer antallet af ressourcekvantetilstande, der kræves for at sikre en foruddefineret lav fejlsandsynlighed, og fremhæver vigtige tekniske aspekter af den fremtidige implementering af sådanne distribuerede protokoller. Vi forbereder og benchmarker også fire-qubit ressourcetilstanden i vores protokol, og udfører eksperimenter på superledende og fangede-ion kvantecomputere.

► BibTeX-data

► Referencer

[1] M. Pease, R. Shostak, and L. Lamport, “Reaching Agreement in the Presence of Faults” J. ACM 27, 228–234 (1980).
https://​/​doi.org/​10.1145/​322186.322188

[2] Matthias Fitzi "Generaliserede kommunikations- og sikkerhedsmodeller i byzantinsk aftale" afhandling (2003) Genoptryk som vol. 4 af ETH Series in Information Security and Cryptography, ISBN 3-89649-853-3, Hartung-Gorre Verlag, Konstanz, 2003.

[3] Leslie Lamport, Robert Shostak, and Marshall Pease, “The Byzantine Generals Problem” ACM Trans. Program. Lang. Syst. 4, 382–401 (1982).
https://​/​doi.org/​10.1145/​357172.357176

[4] Juan Garayand Yoram Moses “Fully Polynomial Byzantine Agreement for n > 3t Processors in t + 1 Rounds” SIAM Journal on Computing 27, 247–290 (1999).
https://​/​doi.org/​10.1137/​S0097539794265232

[5] Miguel Castroand Barbara Liskov “Practical byzantine fault tolerance” OSDI 99, 173–186 (1999).

[6] Diego Ongaroand John Ousterhout “In Search of an Understandable Consensus Algorithm” Proceedings of the 2014 USENIX Conference on USENIX Annual Technical Conference 305–320 (2014).

[7] Leslie Lamport “The Part-Time Parliament” ACM Trans. Comput. Syst. 16, 133–169 (1998).
https://​/​doi.org/​10.1145/​279227.279229

[8] Matthias Fitzi, Nicolas Gisin, Ueli M. Maurer og Oliver von Rotz, "Ubetinget byzantinsk aftale og multi-Party Computation Secure against Dishonest Minorities from Scratch" Proceedings of the International Conference on the Theory and Applications of Cryptographic Techniques: Advances in Cryptology 482 –501 (2002).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​3-540-46035-7_32

[9] Adán Cabello "Løser løgnedetektionsproblemet ved hjælp af fire-qubit singlet-tilstanden" Fysisk. Rev. A 68, 012304 (2003).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.68.012304

[10] Sascha Gaertner, Mohamed Bourennane, Christian Kurtsiefer, Adán Cabello og Harald Weinfurter, "Eksperimentel demonstration af en kvanteprotokol for byzantinsk aftale og løgnerdetektion" Fysisk. Rev. Lett. 100, 070504 (2008).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.100.070504

[11] Poramet Pathumsoot, Takaaki Matsuo, Takahiko Satoh, Michal Hajdušek, Sujin Suwanna, and Rodney Van Meter, “Modeling of measurement-based quantum network coding on a superconducting quantum processor” Phys. Rev. A 101, 052301 (2020).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.101.052301

[12] Mohammand Amin Taherkhani, Keivan Navi og Rodney Van Meter, "Resourcebevidst systemarkitekturmodel for implementering af kvantestøttet byzantinsk aftale om kvanterepeaternetværk" Quantum Science and Technology 3, 014011 (2017).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​2058-9565/​aa9bb1

[13] Michael Ben-Orand Avinatan Hassidim “Fast Quantum Byzantine Agreement” Proceedings of the Thirty-Seventh Annual ACM Symposium on Theory of Computing 481–485 (2005).
https://​/​doi.org/​10.1145/​1060590.1060662

[14] Matthias Fitzi, Nicolas Gisin, and Ueli Maurer, “Quantum Solution to the Byzantine Agreement Problem” Phys. Rev. Lett. 87, 217901 (2001).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.87.217901

[15] Stephanie Wehner, David Elkouss og Ronald Hanson, "Quantum internet: A vision for the road ahead" Science 362, eaam9288 (2018).
https://​doi.org/​10.1126/​science.aam9288

[16] M. Pompili, SLN Hermans, S. Baier, HKC Beukers, PC Humphreys, RN Schouten, RFL Vermeulen, MJ Tiggelman, L. dos Santos Martins, B. Dirkse, S. Wehner og R. Hanson, “Realization of a multinode kvantenetværk af fjerntliggende faststof-qubits" Science 372, 259-264 (2021).
https://doi.org/​10.1126/​science.abg1919

[17] John Preskill "Quantum Computing in the NISQ-era and beyond" Quantum 2, 79 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2018-08-06-79

[18] "IBM Quantum" https://​/​quantum-computing.ibm.com/​ (2021).
https://​/​quantum-computing.ibm.com/​

[19] Christopher Monroe "IonQ Quantum Computers: Clear to Scale" APS March Meeting Abstracts 2021, P10.002 (2021).

[20] P. Magnard, S. Storz, P. Kurpiers, J. Schär, F. Marxer, J. Lütolf, T. Walter, J.-C. Besse, M. Gabureac, K. Reuer, A. Akin, B. Royer, A. Blais og A. Wallraff, "Microwave Quantum Link between Superconducting Circuits Housed in Spatally Separated Cryogenic Systems" Phys. Rev. Lett. 125, 260502 (2020).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.125.260502

[21] Simon Storz, Josua Schär, Anatoly Kulikov, Paul Magnard, Philipp Kurpiers, Janis Lütolf, Theo Walter, Adrian Copetudo, Kevin Reuer, Abdulkadir Akin, Jean-Claude Besse, Mihai Gabureac, Graham J. Norris, Andrés Rosario, Ferran Martin, José Martinez, Waldimar Amaya, Morgan W. Mitchell, Carlos Abellan, Jean-Daniel Bancal, Nicolas Sangouard, Baptiste Royer, Alexandre Blais og Andreas Wallraff, "Smuthulsfri klokkeulighedskrænkelse med superledende kredsløb" Nature 617, 265-270 (2023) ).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-023-05885-0

[22] D. Hucul, IV Inlek, G. Vittorini, C. Crocker, S. Debnath, SM Clark og C. Monroe, "Modular sammenfiltring af atomære qubits ved hjælp af fotoner og fononer" Nature Physics 11, 37-42 (2015).
https://doi.org/​10.1038/​nphys3150

[23] V. Krutyanskiy, M. Galli, V. Krcmarsky, S. Baier, DA Fioretto, Y. Pu, A. Mazloom, P. Sekatski, M. Canteri, M. Teller, J. Schupp, J. Bate, M. Meraner , N. Sangouard, BP Lanyon og TE Northup, "Entanglement of Trapped-Ion Qubits Separated by 230 Meters" Phys. Rev. Lett. 130, 050803 (2023).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.130.050803

[24] LJ Stephenson, DP Nadlinger, BC Nichol, S. An, P. Drmota, TG Ballance, K. Thirumalai, JF Goodwin, DM Lucas og CJ Ballance, "High-Rate, High-Fidelity Entanglement of Qubits Across an Elementary Quantum Network "Fys. Rev. Lett. 124, 110501 (2020).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.124.110501

[25] Constantin Gonzalez "Cloud-baseret QC med Amazon Braket" Digitale Welt 5, 14-17 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1007/​s42354-021-0330-z

[26] Yanzhu Chen, Maziar Farahzad, Shinjae Yoo og Tzu-Chieh Wei, "Detektortomografi på IBM kvantecomputere og afbødning af en ufuldkommen måling" Physical Review A 100, 052315 (2019).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.100.052315

[27] Filip B Maciejewski, Zoltán Zimborás og Michał Oszmaniec, "Afbødning af udlæsningsstøj i kortsigtede kvanteenheder ved klassisk efterbehandling baseret på detektortomografi" Quantum 4, 257 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2020-04-24-257

[28] Antonio Acín, Nicolas Brunner, Nicolas Gisin, Serge Massar, Stefano Pironio og Valerio Scarani, "Device-Independent Security of Quantum Cryptography against Collective Attacks" Phys. Rev. Lett. 98, 230501 (2007).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.98.230501

[29] Feihu Xu, Xiongfeng Ma, Qiang Zhang, Hoi-Kwong Lo og Jian-Wei Pan, "Sikker kvantenøglefordeling med realistiske enheder" Rev. Mod. Phys. 92, 025002 (2020).
https://​/​doi.org/​10.1103/​RevModPhys.92.025002

[30] Akos Budai, Istvan Finta og Zoltán Guba, "akosbudai/​quantum-byzantine: v0.0.2" (2023).
https://​/​doi.org/​10.5281/​zenodo.10364755

Citeret af

Dette papir er udgivet i Quantum under Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) licens. Ophavsretten forbliver hos de originale copyright-indehavere, såsom forfatterne eller deres institutioner.

Tidsstempel:

Mere fra Quantum Journal