Enigma: Privacy-Preserving Execution of QAOA on Untrusted Quantum Computers

要約

量子コンピューターは、従来のコンピューターの能力を超えた問題を解決できます。
量子コンピューターは高価で保守が難しいため、量子計算を実行するための一般的なモデルは、回路を量子クラウドプロバイダーに送信することです。
これは、信頼できないサーバーが提供された回線から保護された情報を学習する可能性があるため、営利団体にとってプライバシーの懸念につながります。
セキュア量子コンピューティング (SQC) の現在の提案は、新しいテクノロジー (量子ネットワークなど) に依存するか、法外なオーバーヘッド (量子準同型暗号化の場合) が発生します。
私たちの論文の目標は、現在のシステムで使用できる、プライバシーを保護しながら低コストの量子計算を可能にすることです。
私たちは、量子近似最適化アルゴリズム (QAOA) 用に特別に設計されたプライバシー保護スキームのスイートである Enigma を提案します。
量子回路を難読化する以前の SQC 技術とは異なり、Enigma は QAOA の入力問題を変換し、結果の回路と結果がサーバーにとって理解できないようにします。
Enigma の 3 つの亜種を紹介します。
Enigma-I は、値のランダムな位相反転とごまかしを使用して QAOA の係数を保護します。
Enigma-II は、プライマリ量子ビットと区別できないおとり量子ビットを導入することでグラフのノードを保護します。
Enigma-III は、各ノードの接続数が同じになるようにグラフを変更することで、グラフのエッジ情報を保護します。
エニグマのすべての変種について、元の問題の解決策を引き続き取得できることを示します。
私たちは IBM 量子デバイスを使用して Enigma を評価し、Enigma のプライバシー向上は忠実度のわずかな低下 (1% ～ 13%) で済むことを示しました。

要約(オリジナル)

Quantum computers can solve problems that are beyond the capabilities of conventional computers. As quantum computers are expensive and hard to maintain, the typical model for performing quantum computation is to send the circuit to a quantum cloud provider. This leads to privacy concerns for commercial entities as an untrusted server can learn protected information from the provided circuit. Current proposals for Secure Quantum Computing (SQC) either rely on emerging technologies (such as quantum networks) or incur prohibitive overheads (for Quantum Homomorphic Encryption). The goal of our paper is to enable low-cost privacy-preserving quantum computation that can be used with current systems. We propose Enigma, a suite of privacy-preserving schemes specifically designed for the Quantum Approximate Optimization Algorithm (QAOA). Unlike previous SQC techniques that obfuscate quantum circuits, Enigma transforms the input problem of QAOA, such that the resulting circuit and the outcomes are unintelligible to the server. We introduce three variants of Enigma. Enigma-I protects the coefficients of QAOA using random phase flipping and fudging of values. Enigma-II protects the nodes of the graph by introducing decoy qubits, which are indistinguishable from primary ones. Enigma-III protects the edge information of the graph by modifying the graph such that each node has an identical number of connections. For all variants of Enigma, we demonstrate that we can still obtain the solution for the original problem. We evaluate Enigma using IBM quantum devices and show that the privacy improvements of Enigma come at only a small reduction in fidelity (1%-13%).

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