一种可验证的抗噪盲量子计算方法

本发明涉及量子纠错编码，具体涉及一种可验证和抵抗噪声的容错盲量子计算协议，属于量子计算

背景技术：

1、随着用户对计算机算力需求的不断提高，量子计算机已经被少数政府和大型企业构建。但是初代量子计算机的成本高昂，维护难度大，这将导致初代量子计算机将以“云”计算的形式为主。

2、当客户端(alice)想要委托拥有量子计算机的服务器(bob)执行任意量子计算时，保护alice的隐私是至关重要的。在这个时候，盲量子计算(blind quantum computation)可以考虑被用来保护alice的输入、输出和算法信息。但在执行盲量子计算时，有两个很强的假设才能保证alice获得正确的计算结果。第一，用于盲量子计算的粒子不会被噪声影响；第二，当bob不诚实的时候，alice不能保证计算结果是否正确。

3、chien等人于2015年提出了两种容错的盲量子计算协议。这两个协议分别通过alice直接制备逻辑比特和alice通过隐形传态制备逻辑比特，然后用这些编码后的粒子执行容错量子计算。但这两个协议都要求alice具有量子计算和量子内存的能力，并且在这两个协议中alice不能验证计算结果是否正确。

4、fitzsimons等人提出了一个可验证的通用盲量子计算协议，其中alice通过在发送的量子态中插入trap qubit来验证bob是否正确执行了alice要求的量子计算。这个协议的详细步骤如下：

5、步骤1：alice发送n+nd个粒子给bob，其中n为computational qubit和trap qubit的总数，这两个粒子态都可表示为|+θj>＝|0>eiθj|1>，θj∈s＝{0，π/4，…，7π/4}；nd为dummyqubit(|0>,|1>)的数目；

6、步骤2：bob根据alice的指示将这些粒子纠缠，构造一个图态|g>，它的定义如下：|g>＝cz(i,j)πj＝1n|+θj>πj＝n+1n+nd|zj>

7、步骤3：alice通过经典信道向bob发送值δj＝θj′+φj+rjπ+njπ，然后bob反馈测量结果bi；对于计算粒子，θj′＝θj,φj取决之前的测量结果和alice的算法；对trap qubit,θj′＝θj,φj＝0；对dummy qubit,θj′随机从s＝{0,π/4,…,7π/4}中选取，φj＝0；对图态|g>中的所有粒子，rj从{0,1}中随机选取，nj用来消除图态|g>中第基态的影响；

8、alice通过经典信道向bob发送值δj＝θj′+φj+rjπ+njπ；对computation qubit,θj′＝θj,φj取决于之前的测量结果和alice的算法；对trap qubit,θj′＝θj,φj＝0；对dummyqubit，θj′从s＝{0,π/4,…,7π/4}中选取，φj＝0；对|g>中的所有粒子，rj从{0,1}中随机选取，nj用来消除图态|g>中第i位z基态的影响；

9、步骤4：alice对所有的trap qubits检查bj和rj是否相等，如果对所有的trapqubit全部满足，则alice接受测量结果；否则，alice拒绝测量结果。

10、但在这个可验证的盲量子计算协议中，alice和bob之间的通讯是无噪的。

技术实现思路

1、针对盲量子计算的这两个假设，本发明提供了一种可同时验证和抗噪的容错盲量子计算方法。

2、本发明解决技术问题所采用的技术方案是：基于可验证的盲量子计算和远程量子态制备方法，使用量子纠错码对用于计算的量子比特编码，得到了一些可用于验证的粒子，然后利用这些粒子实现可验证的容错盲量子计算。

3、本发明的有益效果是：

4、1、本发明基于容错盲量子计算和远程量子态制备，完成了在bob处制备出可验证的粒子，与其他抗噪盲量子计算方案相比较，本发明中的alice可验证在盲量子计算过程中，bob是否如实执行计算过程；

5、2、与其他可验证的盲量子计算相比，本发明中的协议可以在噪声信道中进行；

6、3、本发明方案中alice仅仅使用测量能力，没有扩大容错盲量子计算中alice的量子能力，这将使得本发明具有较好的物理实现可行性。

技术特征：

1.一种使用量子纠错码的容错盲量子计算方案，其特征在于，所述方案包括传输编码粒子，可验证的粒子制备和执行可验证的容错盲量子计算三个阶段；

2.根据权利要求1所述的一种使用量子纠错码的容错盲量子计算方案，其特征在于，图态|g>中的粒子分别被称为computation qubit(计算粒子)，trap qubit(陷阱粒子)和dummy qubit(虚拟粒子)，其中，computation qubit和trap qubit为态dummy qubit为态|0>，|1>。

3.根据权利要求1所述的一种使用量子纠错码的容错盲量子计算方案，其特征在于，alice通过经典信道向bob发送值δj＝θj′+φj+rjπ+njπ；对computation qubit，θj′＝θj，φj取决于之前的测量结果和alice的算法；对trap qubit，θj′＝θj，φj＝0；对dummy qubit，θj′随机从s＝{0，π/4，…，7π/4}中选取，φj＝0；对|g>中的所有粒子，rj从{0，1}中随机选取，nj用来消除图态|g>中第i位z基态的影响。

4.根据权利要求2所述的一种使用量子纠错码的容错盲量子计算方案，其特征在于，用于纠缠产生|g>的粒子是被alice通过测量制备的，而在alice用粒子|+θj>和粒子|0>，|1>测量逻辑bell态时，在bob处得到这一类粒子|±θj>(θj∈sj＝{jπ/4，j＝0，1，2，3})和粒子|0>，|1>两个中的一个都是完全随机和等可能的；例如，当alice需要的是粒子|+π/4>，而在bob处制备的粒子是|+5π/4>时，alice发送角度δj中θj′可仍为π/4，在这种情况下，bob的测量结果与发送角度δj中θj′为5π/4时的测量结果相反。

5.根据权利要求3所述的一种使用量子纠错码的容错盲量子计算方案，其特征在于，在alice发送测量角度δj后，bob利用态|±δj>基测量图态|g>，然后通过经典信道把测量结果bj发送给alice。

6.根据权利要求5所述的一种使用量子纠错码的容错盲量子计算方案，其特征在于，对于所有的trap qubit，alice检查bj和rj是否相等；如果相等，alice接受最终测量结果；否则，alice拒绝测量结果。

7.根据权利要求3所述的一种使用量子纠错码的容错盲量子计算方案，其特征在于，对于所有的rj，若rj＝1，则alice翻转测量结果；否则，alice不做任何操作。

8.根据权利要求3所述的一种使用量子纠错码的容错盲量子计算方案，其特征在于，对于在bob处制备的粒子|0>，|1>和|+θj>，bob可选择对这些粒子编码后再用于构建图态|g>，以提高容错性。

技术总结
本发明公开了一种可验证的抗噪盲量子计算方法，它属于委托计算协议。该协议主要包括两个参与方，客户端需要执行测量，服务器按照客户端的要求制备量子态，从而实现整个盲量子计算过程。在客户端测量被服务器编码和传输的量子态后，成功在服务器处制备了可用于验证的粒子。在服务器将这些已经制备的粒子按照客户端的要求纠缠前，服务器可对这些粒子进行再次编码，以达到更好的容错性。

技术研发人员：柏明强,罗元茂,莫智文,杨振,吴光阳,严玉瞻
受保护的技术使用者：四川师范大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14