การสร้างข้อมูลควอนตัม: เอาชนะการทดสอบควอนตัมที่ใช้ IQP อย่างคลาสสิก

การสร้างข้อมูลควอนตัม: เอาชนะการทดสอบควอนตัมที่ใช้ IQP อย่างคลาสสิก

ประทับเวลา: 11 กันยายน 2023 8:46 น.

เกรกอรี ดี. คาฮานาโมคู-เมเยอร์

ภาควิชาฟิสิกส์ University of California at Berkeley, Berkeley, CA 94720

พบบทความนี้ที่น่าสนใจหรือต้องการหารือ? Scite หรือแสดงความคิดเห็นใน SciRate.

นามธรรม

เมื่อเร็วๆ นี้ การทดลองคอมพิวเตอร์ควอนตัมได้เกินขีดความสามารถของคอมพิวเตอร์คลาสสิกเป็นครั้งแรกในการคำนวณบางอย่าง ซึ่งเป็นเหตุการณ์สำคัญที่เรียกว่า “ความได้เปรียบทางคอมพิวเตอร์ควอนตัม” อย่างไรก็ตาม การตรวจสอบผลลัพธ์ของอุปกรณ์ควอนตัมในการทดลองเหล่านี้จำเป็นต้องใช้การคำนวณแบบคลาสสิกที่มีขนาดใหญ่มาก ขั้นตอนถัดไปที่น่าตื่นเต้นสำหรับการสาธิตความสามารถควอนตัมคือการใช้การทดสอบความได้เปรียบในการคำนวณควอนตัมด้วยการตรวจสอบแบบคลาสสิกที่มีประสิทธิภาพ เพื่อให้สามารถทดสอบและตรวจสอบขนาดระบบที่ใหญ่ขึ้นได้ ข้อเสนอแรกๆ สำหรับการทดสอบควอนตัมที่ตรวจสอบได้อย่างมีประสิทธิภาพประกอบด้วยการซ่อนบิตสตริงคลาสสิกที่เป็นความลับภายในวงจรของคลาส IQP ในลักษณะที่ตัวอย่างจากการกระจายเอาต์พุตของวงจรมีความสัมพันธ์กับความลับ ความแข็งแบบคลาสสิกของโปรโตคอลนี้ได้รับการสนับสนุนจากหลักฐานที่แสดงว่าการจำลองวงจร IQP โดยตรงนั้นยาก แต่ความปลอดภัยของโปรโตคอลต่อการโจมตีแบบคลาสสิกอื่น ๆ (ไม่จำลอง) ยังคงเป็นคำถามเปิดอยู่ ในงานนี้ เราแสดงให้เห็นว่าโปรโตคอลไม่ปลอดภัยจากการปลอมแปลงแบบคลาสสิก เราอธิบายอัลกอริธึมแบบคลาสสิกที่ไม่เพียงแต่สามารถโน้มน้าวผู้ตรวจสอบได้ว่าเครื่องพิสูจน์ (แบบคลาสสิก) นั้นเป็นควอนตัม แต่ในความเป็นจริงแล้วสามารถแยกคีย์ลับที่อยู่ภายใต้อินสแตนซ์โปรโตคอลที่กำหนดได้ นอกจากนี้ เรายังแสดงให้เห็นว่าอัลกอริธึมการแยกคีย์มีประสิทธิภาพในทางปฏิบัติสำหรับขนาดปัญหาหลายร้อยคิวบิต สุดท้ายนี้ เราจัดให้มีการนำอัลกอริธึมไปใช้ และให้เวกเตอร์ลับที่อยู่ภายใต้ความท้าทาย “$25” ที่โพสต์ออนไลน์โดยผู้เขียนบทความต้นฉบับ

การปลอมแปลงข้อมูลควอนตัม: เอาชนะ PlatoBlockchain Data Intelligence ที่ใช้ IQP เป็นหลัก ค้นหาแนวตั้ง AI.

ภาพเด่น: ในงานนี้ เราจะแสดงให้เห็นว่าคอมพิวเตอร์คลาสสิกที่โกง (ซ้าย) สามารถปลอมตัวเป็นคอมพิวเตอร์ควอนตัมในการโต้ตอบกับคอมพิวเตอร์ "ตัวตรวจสอบ" แบบคลาสสิก (ขวา) ได้อย่างไรในบริบทของโปรโตคอลการพิสูจน์ปริมาณควอนตัมที่เฉพาะเจาะจง

สรุปยอดนิยม

การทดลองสุ่มตัวอย่างควอนตัมล่าสุดได้แสดงให้เห็นถึงความได้เปรียบในการคำนวณควอนตัมโดยการคำนวณที่ไม่สามารถทำซ้ำแบบดั้งเดิมได้ อย่างไรก็ตาม การตรวจสอบผลลัพธ์แบบคลาสสิกก็ทำได้ยากพอๆ กัน ทำให้การตรวจสอบโดยตรงสำหรับการทดลองที่ใหญ่ที่สุดเป็นไปไม่ได้ ผู้สมัครที่จะเอาชนะความท้าทายนี้คือโปรโตคอลการสุ่มตัวอย่างที่เสนอในปี 2008 ซึ่งรับประกันการตรวจสอบแบบคลาสสิกที่มีประสิทธิภาพ ขณะเดียวกันก็รักษาความแข็งแบบคลาสสิกในการสร้างพฤติกรรมของอุปกรณ์ควอนตัม ในงานนี้ เรามอบอัลกอริธึมคลาสสิกที่มีประสิทธิภาพซึ่งผ่านการตรวจสอบการยืนยันโดยการแยกคีย์ลับที่ซ่อนอยู่ ซึ่งควรจะซ่อนไว้แม้กระทั่งจากอุปกรณ์ควอนตัมจริง อัลกอริธึมของเราทำให้คำกล่าวอ้างที่ว่ามีเพียงอุปกรณ์ควอนตัมเท่านั้นที่สามารถผ่านการตรวจสอบได้ ซึ่งเอาชนะประโยชน์ของการทดสอบซึ่งถือเป็นการแสดงความสามารถด้านควอนตัม

► ข้อมูล BibTeX

► ข้อมูลอ้างอิง

[1] Frank Arute และคณะ “อำนาจสูงสุดของควอนตัมโดยใช้ตัวประมวลผลตัวนำยิ่งยวดที่ตั้งโปรแกรมได้” ธรรมชาติ 574, 505–510 (2019)
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-019-1666-5

[2] ฮันเซ็นจง และคณะ “ข้อได้เปรียบทางคอมพิวเตอร์ควอนตัมโดยใช้โฟตอน” วิทยาศาสตร์ 370, 1460–1463 (2020)
https://doi.org/10.1126/​science.abe8770

[3] ยู่หลิน อู๋, ว่านซูเปา, ซิรุย เฉา, ฟูเซิง เฉิน, หมิงเฉิง เฉิน, เซียเว่ย เฉิน, ตุงซุนชุง, ฮุยเติ้ง, หยาเจี๋ยตู่, เต้าจินฟ่าน, หมิงกง, เฉิงกัว, ชูกัว, เชาจุนกัว, เหลียนเฉินฮั่น , Linyin Hong, He-Liang Huang, Yong-Heng Huo, Liping Li, Na Li, Shaowei Li, Yuan Li, Futian Liang, Chun Lin, Jin Lin, Haoran Qian, Dan Qiao, Hao Rong, Hong Su, Lihua Sun, Liangyuan Wang, Shiyu Wang, Dachao Wu, Yu Xu, Kai Yan, Weifeng Yang, Yang Yang, Yangsen Ye, Jianghan Yin, Chong Ying, Jiale Yu, Chen Zha, Cha Zhang, Haibin Zhang, Kaili Zhang, Yiming Zhang, Han Zhao , Youwei Zhao, Liang Zhou, Qingling Zhu, Chao-Yang Lu, Cheng-Zhi Peng, Xiaobo Zhu และ Jian-Wei Pan “ความได้เปรียบในการคำนวณควอนตัมที่แข็งแกร่งโดยใช้โปรเซสเซอร์ควอนตัมตัวนำยิ่งยวด” จดหมายทบทวนทางกายภาพ 127, 180501 (2021)
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.127.180501

[4] ชิงหลิง จู้, ซีรุ่ยเฉา, ฟูเซิง เฉิน, หมิงเฉิง เฉิน, เซียเว่ย เฉิน, ตุงซุนชุง, ฮุยเติ้ง, หยาเจี๋ยตู้, เตาจินฟ่าน, หมิงกง, เฉิงกัว, ชูกัว, เฉาจุนกัว, เหลียนเฉินฮั่น, หลินหยิน หง, เขา -เหลียง ฮวง, หยงเฮงฮั่ว, หลีปิง, นาหลี่, เฉาเว่ยหลี่, หยวนหลี่, ฟูเถียนเหลียง, ชุนลิน, จินลิน, ห่าวหรานเฉียน, ตันเฉียว, ห่าวหรง, หงซู, ลีหัวซัน, เหลียงหยวนหวาง, ฉือหยูหวาง , Dachao Wu, Yulin Wu, Yu Xu, Kai Yan, Weifeng Yang, Yang Yang, Yangsen Ye, Jianghan Yin, Chong Ying, Jiale Yu, Chen Zha, Cha Zhang, Haibin Zhang, Kaili Zhang, Yiming Zhang, Han Zhao, Youwei Zhao, Liang Zhou, Chao-Yang Lu, Cheng-Zhi Peng, Xiaobo Zhu และ Jian-Wei Pan “ความได้เปรียบในการคำนวณควอนตัมผ่านการสุ่มตัวอย่างวงจร 60 รอบ 24 บิต” กระดานข่าววิทยาศาสตร์ 67, 240–245 (2022)
https://doi.org/10.1016/​j.scib.2021.10.017

[5] สกอตต์ อารอนสัน และอเล็กซ์ อาร์คิปอฟ “ความซับซ้อนทางการคำนวณของเลนส์เชิงเส้น” ในการประชุมสัมมนา ACM ประจำปีครั้งที่สี่สิบสามเรื่องทฤษฎีการคำนวณ หน้า 333–342. STOC '11นิวยอร์ก, นิวยอร์ก, สหรัฐอเมริกา (2011) สมาคมเครื่องจักรคอมพิวเตอร์
https://doi.org/10.1145/​1993636.1993682

[6] เอ็ดเวิร์ด ฟาร์ฮี และอาราม ดับเบิลยู. แฮร์โรว์ “อำนาจสูงสุดของควอนตัมผ่านอัลกอริทึมการเพิ่มประสิทธิภาพโดยประมาณของควอนตัม” (2019) arXiv:1602.07674.
arXiv: 1602.07674

[7] AP Lund, Michael J. Bremner และ TC Ralph “ปัญหาการสุ่มตัวอย่างควอนตัม การสุ่มตัวอย่างโบซอน และอำนาจสูงสุดของควอนตัม” ข้อมูลควอนตัม npj 3, 1–8 (2017)
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-017-0018-2

[8] อาราม ดับเบิลยู. แฮร์โรว์ และแอชลีย์ มอนทานาโร “ความเหนือกว่าทางคอมพิวเตอร์ควอนตัม” ธรรมชาติ 549, 203–209 (2017)
https://doi.org/10.1038/​nature23458

[9] Sergio Boixo, Sergei V. Isakov, Vadim N. Smelyanskiy, Ryan Babbush, Nan Ding, Zhang Jiang, Michael J. Bremner, John M. Martinis และ Hartmut Neven “การแสดงลักษณะสูงสุดของควอนตัมในอุปกรณ์ระยะใกล้”. ฟิสิกส์ธรรมชาติ 14, 595–600 (2018)
https://doi.org/10.1038/​s41567-018-0124-x

[10] บาร์บารา เอ็ม. เทอร์ฮาล. “อำนาจสูงสุดของควอนตัม มาถึงแล้ว” ฟิสิกส์ธรรมชาติ 14, 530–531 (2018)
https://doi.org/10.1038/​s41567-018-0131-y

[11] ซี. นีล, พี. โรชาน, เค. เคเชดซิ่, เอส. บัวโซ่, เอสวี อิซาคอฟ, วี. สเมลยานสกี้, เอ. เมแกรนท์, บี. คิอาโร, เอ. ดันสเวิร์ธ, เค. อารียา, ร. บาเรนด์ส, บี. เบอร์เกตต์, วาย. เฉิน , ซี. เฉิน และคณะ “พิมพ์เขียวสำหรับการแสดงให้เห็นถึงอำนาจสูงสุดของควอนตัมด้วยคิวบิตตัวนำยิ่งยวด” วิทยาศาสตร์ 360, 195–199 (2018)
https://doi.org/10.1126/​science.aao4309

[12] เซอร์เกย์ บราวี, เดวิด กอสเซ็ต และโรเบิร์ต โคนิก “ข้อได้เปรียบทางควอนตัมกับวงจรตื้น” วิทยาศาสตร์ 362, 308–311 (2018)
https://doi.org/10.1126/​science.aar3106

[13] เซอร์เกย์ บราวี, เดวิด กอสเซ็ต, โรเบิร์ต โคนิก และมาร์โก โทมามิเชล “ข้อได้เปรียบทางควอนตัมกับวงจรตื้นที่มีเสียงดัง” ฟิสิกส์ธรรมชาติ 16, 1040–1045 (2020)
https://doi.org/10.1038/​s41567-020-0948-z

[14] Adam Bouland, Bill Fefferman, Chinmay Nirkhe และ Umesh Vazirani “ความซับซ้อนและการตรวจสอบของตัวอย่างวงจรสุ่มควอนตัม”. ฟิสิกส์ธรรมชาติ 15, 159–163 (2019)
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-018-0318-2

[15] สกอตต์ แอรอนสัน และแซม กันน์ “เรื่องความแข็งแบบคลาสสิกของการปลอมแปลงการเปรียบเทียบข้ามเอนโทรปีเชิงเส้น” ทฤษฎีคอมพิวเตอร์ 16, 1–8 (2020)
https://doi.org/​10.4086/​toc.2020.v016a011

[16] ซวิก้า เบรกเกอร์สกี้, พอล คริสเตียโน่, อูร์มิล่า มาฮาเดฟ, อูเมช วาซิรานี่ และโธมัส วิดิค “การทดสอบการเข้ารหัสของควอนตัมและความสุ่มที่รับรองได้จากอุปกรณ์ควอนตัมเดี่ยว” วารสาร ACM (JACM) (2021)
https://doi.org/10.1145/​3441309

[17] ซวิกา เบรกเกอร์สกี้, เวนกาต้า คอปปูลา, อูเมช วาซิรานี และโธมัส วิดิก “การพิสูจน์ควอนตัมที่ง่ายกว่า” ใน Steven T. Flammia บรรณาธิการการประชุมครั้งที่ 15 เกี่ยวกับทฤษฎีการคำนวณควอนตัม การสื่อสาร และการเข้ารหัส (TQC 2020) เล่มที่ 158 ของ Leibniz International Proceedings in Informatics (LIPIcs) หน้า 8:1–8:14 แดกสตูห์ล, เยอรมนี (2020) Schloss Dagstuhl–Leibniz-Zentrum fuer Informatik.
https://doi.org/​10.4230/​LIPIcs.TQC.2020.8

[18] Gregory D. Kahanamoku-Meyer, Soonwon Choi, Umesh V. Vazirani และ Norman Y. Yao “ข้อได้เปรียบเชิงควอนตัมที่ตรวจสอบได้แบบคลาสสิกจากการทดสอบระฆังด้วยคอมพิวเตอร์” ฟิสิกส์ธรรมชาติ 18, 918–924 (2022)
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-022-01643-7

[19] แดน เชพเพิร์ด และไมเคิล เจ. เบรมเนอร์ “การคำนวณควอนตัมแบบไม่มีโครงสร้างชั่วคราว” การดำเนินการของราชสมาคม A: วิทยาศาสตร์คณิตศาสตร์ กายภาพ และวิศวกรรมศาสตร์ 465, 1413–1439 (2009)
https://doi.org/10.1098/​rspa.2008.0443

[20] ไมเคิล เจ. เบรมเนอร์ และคณะ “การจำลองแบบคลาสสิกของการคำนวณควอนตัมแบบสลับสับเปลี่ยนแสดงถึงการล่มสลายของลำดับชั้นพหุนาม” การดำเนินการของ Royal Society A: วิทยาศาสตร์คณิตศาสตร์ กายภาพ และวิศวกรรมศาสตร์ 467, 459–472 (2011)
https://doi.org/10.1098/​rspa.2010.0301

[21] ไมเคิล เจ. เบรมเนอร์ และคณะ “ความซับซ้อนโดยเฉลี่ยและกรณีเทียบกับการจำลองโดยประมาณของการคำนวณควอนตัมที่สับเปลี่ยน” จดหมายทบทวนทางกายภาพ 117, 080501 (2016)
https://doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.117.080501

[22] เกรกอรี ดี คาฮานาโมกุ-เมเยอร์ (2023) รหัส: https://​/​doi.org/​10.5281/​zenodo.7545881.
https://doi.org/10.5281/​zenodo.7545881

[23] ยูซุฟ อัลนาวาคธา, อาตุล มันตรี, คาร์ล เอ. มิลเลอร์ และเตาเฉิน หวาง “ข้อได้เปรียบเชิงควอนตัมแบบ Lattice จากการวัดแบบหมุน” (2022) arXiv:2210.10143.
arXiv: 2210.10143

[24] ทาคาชิ ยามาคาวะ และมาร์ค แซนดรี้ “ข้อได้เปรียบเชิงควอนตัมที่ตรวจสอบได้โดยไม่มีโครงสร้าง” ในปี 2022 การประชุมสัมมนาประจำปี IEEE ครั้งที่ 63 เกี่ยวกับรากฐานของวิทยาการคอมพิวเตอร์ (FOCS) หน้า 69–74. (2022)
https://doi.org/​10.1109/​FOCS54457.2022.00014

[25] ยาเอล คาไล, อเล็กซ์ ลอมบาร์ดี, วิโนด ไวกุนตนาธาน และลิซ่า หยาง “ความได้เปรียบควอนตัมจากเกมนอกท้องถิ่น” ในการประชุมวิชาการ ACM Symposium ประจำปีครั้งที่ 55 ด้านทฤษฎีคอมพิวเตอร์ หน้า 1617–1628. STOC 2023นิวยอร์ก รัฐนิวยอร์ก สหรัฐอเมริกา (2023) สมาคมเครื่องจักรคอมพิวเตอร์
https://doi.org/10.1145/​3564246.3585164

[26] อเล็กซานดรู เกอร์กิว และ โธมัส วิดิค “การเตรียมสถานะระยะไกลที่ปลอดภัยด้วยการคำนวณและแบบแยกส่วนได้” ในปี 2019 การประชุมสัมมนาประจำปี IEEE ครั้งที่ 60 เกี่ยวกับรากฐานของวิทยาการคอมพิวเตอร์ (FOCS) หน้า 1024–1033. (2019)
https://doi.org/​10.1109/​FOCS.2019.00066

[27] เออร์มิลา มหาเดฟ. “การตรวจสอบคลาสสิกของการคำนวณควอนตัม” ในปี 2018 การประชุมสัมมนาประจำปี IEEE ครั้งที่ 59 เกี่ยวกับรากฐานของวิทยาการคอมพิวเตอร์ (FOCS) หน้า 259–267. (2018)
https://doi.org/​10.1109/​FOCS.2018.00033

อ้างโดย

[1] Sergey Bravyi, David Gosset, Robert König และ Marco Tomamichel, “ความได้เปรียบของควอนตัมกับวงจรตื้นที่มีเสียงดัง”, ฟิสิกส์ธรรมชาติ 16 10, 1040 (2020).

[2] Dominik Hangleiter และ Jens Eisert, “ข้อได้เปรียบทางการคำนวณของการสุ่มตัวอย่างควอนตัม”, รีวิวฟิสิกส์สมัยใหม่ 95 3, 035001 (2023).

[3] Zhenning Liu และ Alexandru Gheorghiu “การพิสูจน์ควอนตัมเชิงลึกที่มีประสิทธิภาพ” ควอนตัม 6, 807 (2022).

[4] Martin Kliesch และ Ingo Roth, “ทฤษฎีการรับรองระบบควอนตัม: บทช่วยสอน”, arXiv: 2010.05925, (2020).

[5] Ulysse Chabaud, Frédéric Grosshans, Elham Kashefi และ Damian Markham, “การตรวจสอบความถูกต้องของการสุ่มตัวอย่าง Boson”, ควอนตัม 5, 578 (2021).

[6] Michael J. Bremner, Bin Cheng และ Zhengfeng Ji, “การสุ่มตัวอย่าง IQP และข้อได้เปรียบควอนตัมที่ตรวจสอบได้: Scheme Scheme และความปลอดภัยแบบคลาสสิก”, arXiv: 2308.07152, (2023).

[7] Sergey Bravyi, David Gosset, Daniel Grier และ Luke Schaeffer, “อัลกอริทึมคลาสสิกสำหรับความสัมพันธ์”, arXiv: 2102.06963, (2021).

[8] Dominik Hangleiter, “การสุ่มตัวอย่างและความซับซ้อนของธรรมชาติ”, arXiv: 2012.07905, (2020).

[9] Xi Chen, Bin Cheng, Zhaokai Li, Xinfang Nie, Nengkun Yu, Man-Hong Yung และ Xinhua Peng, “การตรวจสอบการเข้ารหัสเชิงทดลองสำหรับการประมวลผลคลาวด์ควอนตัมระยะสั้น”, กระดานข่าววิทยาศาสตร์ 66 1, 23 (2021).

[10] Sritam Kumar Satpathy, Vallabh Vibhu, Sudev Pradhan, Bikash K. Behera และ Prasanta K. Panigrahi, “การตรวจสอบอย่างมีประสิทธิภาพของการสุ่มตัวอย่าง Boson โดยใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัม”, arXiv: 2108.03954, (2021).

การอ้างอิงข้างต้นมาจาก are อบต./นาซ่าโฆษณา (ปรับปรุงล่าสุดสำเร็จ 2023-09-12 13:11:52 น.) รายการอาจไม่สมบูรณ์เนื่องจากผู้จัดพิมพ์บางรายไม่ได้ให้ข้อมูลอ้างอิงที่เหมาะสมและครบถ้วน

On บริการอ้างอิงของ Crossref ไม่พบข้อมูลอ้างอิงงาน (ความพยายามครั้งสุดท้าย 2023-09-12 13:11:50)

บทความนี้เผยแพร่ใน Quantum ภายใต้ the ครีเอทีฟคอมมอนส์แบบแสดงที่มา 4.0 สากล (CC BY 4.0) ใบอนุญาต ลิขสิทธิ์ยังคงอยู่กับผู้ถือลิขสิทธิ์ดั้งเดิม เช่น ผู้เขียนหรือสถาบันของพวกเขา

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก วารสารควอนตัม