通用盲量子计算理论及其应用研究

Blind quantum computing is a new secure quantum computing protocol where a client who does not have any sophisticated quantum technology can delegate her quantum computing to a server without leaking any privacy including input, output and algorithm. Universal blind quantum computing can implement the set of universal quantum gates without leaking any computation information. There are no much proposed protocols on universal blind computing except for tow models based on circuit or quantum measurement. And there are only three kinds of existing quantum graph states with blind structure. Universal blind computing would be performed by cloud in quantum communication networks..In this project, we try to find new quantum graph states with blind structure and propose new universal blind quantum computing schemes with quantum circuits that can make the ability of client more classical. We will give some specific settlements of universal blind quantum computing by considering the environment of quantum cloud in the quantum communication networks. We will present some solutions of verifying results of blinding quantum computation by the features of quantum mechanics for quantum computer severs authentication. We expect to put forward some new efficient schemes of quantum computing on encrypted data by quantum fully homomorphic encryption.

盲量子计算是一种新型的安全量子计算协议，是让没有量子能力的客户端委托量子计算机服务器实现量子计算，且能保证其输入、输出和算法不被泄露。通用盲量子计算能够实现通用的量子门集，而不泄露任何计算信息。已有的通用盲量子计算协议并不算太多，主要有基于线路和量子测量两种模式，得到的具有盲结构的量子图态也只有三种。在量子通信网络环境的应用中，通用盲量子计算将以“云”模式执行。. 本项目试图寻找新的具有盲结构的量子图态，提出新型的通用盲量子计算方案，给出其量子线路，使客户端的能力尽可能经典。考虑量子云环境下的盲量子计算执行方式，给出通用盲量子计算在量子通信网络中的具体解决方案。为验证量子计算机服务器的可信度，利用各种量子力学特征，提出直接验证盲量子计算结果正确性的新方法。利用量子全同态加密技术，提出有效的加密数据上的委托量子计算方案。

本项目围绕盲量子计算及相关问题展开研究，前期主要讨论量子隐形传态和量子随机数；中期以盲量子计算为主要研究内容，在委托量子计算上开展了量子私有信息查询、量子纠缠浓缩、量子非定域性、量子保密比较和“云”环境下的三方量子信息交换等方向的研究；后期涉及了量子机器学习研究领域，完成了量子超参数窃取和变分量子张量网络的研究。.1.盲量子计算方面的研究：提出了一个基于测量和线路的混合通用盲量子计算协议；提出了一种采用定义函数算子和量子门传送相结合的盲量子计算协议；构建了一个沙漏状资源态的验证协议；利用CHSH不等式，提出了一种设备无关的盲量子计算验证协议；提出了一个基于χ类态的可验证委托量子计算方案；针对量子线路模型的盲量子计算，设计了一个基于线路模型的通用辅助量子计算协议；设计了基于线路模型单服务器的盲量子计算方案；提出了基于纠缠浓缩的通用盲量子计算协议；研究了量子“云”下的信息安全。.2.量子机器学习方面的研究：提出了窃取机器学习中超参数的QHE算法，时间和空间复杂度比经典算法达到了显著的加速。.3.量子隐形传态、量子随机数、量子保密比较、量子非定域性和量子纠缠浓缩的研究：提出了两个量子隐形传态方案；提出了具有两个延迟线圈的量子随机数发生器；研究了统计波动对量子随机数的影响；提出了一个基于态的量子保密比较协议；构造了两类高维不可区分的正交直积态集合；提出了GHZ最大纠缠纯态的纠缠浓缩方法。.随着量子科技时代的到来，各大公司、研究机构都在尝试研发不同物理架构下的量子计算机。即使通用的量子计算机研发成功，也只能以云平台的形式供客户端使用，项目组获得的盲量子计算研究成果将支撑量子计算云平台的安全应用。在NISQ背景下，项目组将延续前期研究，重点探讨可验证的委托量子计算。