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%).


翻译:量子计算机能够解决传统计算机无法企及的问题。由于量子计算机成本高昂且难以维护,执行量子计算的典型模式是将量子电路发送至量子云提供商。这引发了商业实体的隐私担忧,因为不可信服务器可能从提交的电路中学习受保护信息。当前安全量子计算(Secure Quantum Computing, SQC)方案要么依赖新兴技术(如量子网络),要么引入难以承受的开销(如量子同态加密)。本文旨在实现适用于现有系统的低成本隐私保护量子计算。我们提出Enigma——一套专为量子近似优化算法(Quantum Approximate Optimization Algorithm, QAOA)设计的隐私保护方案。与以往混淆量子电路的SQC技术不同,Enigma通过转换QAOA的输入问题,使得生成的电路及输出结果对服务器不可解读。我们引入三种Enigma变体:Enigma-I通过随机相位翻转和数值模糊保护QAOA系数;Enigma-II通过引入与主量子比特不可区分的诱饵量子比特保护图节点;Enigma-III通过修改图结构使每个节点拥有相同连接数来保护图边信息。针对所有Enigma变体,我们证明仍能获得原问题解。基于IBM量子设备的评估表明,Enigma的隐私改进仅以1%-13%的保真度小幅降低为代价。

0
下载
关闭预览

相关内容

《计算机信息》杂志发表高质量的论文,扩大了运筹学和计算的范围,寻求有关理论、方法、实验、系统和应用方面的原创研究论文、新颖的调查和教程论文,以及描述新的和有用的软件工具的论文。官网链接:https://pubsonline.informs.org/journal/ijoc
Linux导论,Introduction to Linux,96页ppt
专知会员服务
82+阅读 · 2020年7月26日
FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
60+阅读 · 2019年10月17日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
47+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Arxiv
15+阅读 · 2022年1月24日
Arxiv
25+阅读 · 2018年1月24日
VIP会员
最新内容
ICML 2026 | CFPO:用反事实策略优化提升多模态推理
专知会员服务
1+阅读 · 今天14:45
综述 | 世界动作模型:少做梦,多行动
专知会员服务
1+阅读 · 今天14:43
美以伊冲突:无人机与人工智能的运用
专知会员服务
3+阅读 · 今天14:31
《特种部队在透明战场中的生存力》最新报告
专知会员服务
2+阅读 · 今天14:11
《人工智能生成的零日漏洞:对未来作战的影响》
综述 | 3D场景图:开放挑战与未来方向
专知会员服务
8+阅读 · 6月22日
21世纪的无人机战争
专知会员服务
4+阅读 · 6月22日
《量子技术的军事任务技术适配与利用》
专知会员服务
5+阅读 · 6月22日
相关资讯
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
相关基金
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
47+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员