Kvantdatorer förväntas erbjuda betydande uppfarter över sina klassiska motsvarigheter och lösa problem som är svåråtkomliga för klassiska datorer. Utöver denna praktiska betydelse öppnar begreppet kvantberäkning upp nya grundläggande frågor, bland annat frågan om kvantberäkningar kan certifieras av enheter som i sig själva inte kan beräkna resultaten. Här presenterar vi den första experimentella verifieringen av kvantberäkningar. Vi visar i teorin och i experimentet hur en kontrollör med minimala kvantresurser kan testa en betydligt kraftfullare kvantdator. Det nya verifieringsprotokoll som införs i detta arbete använder ramen för blind kvantdator och är oberoende av den experimentella kvantberäkningsplattform som används. I vårt system är kontrollören endast skyldig att generera enstaka qubits och överföra dem till kvantdatorn. Vi demonstrerar experimentellt detta protokoll med hjälp av fyra fotoniska qubits och visar hur kontrollanten kan testa datorns förmåga att utföra mätbaserade kvantberäkningar. Det rådande vetenskapliga paradigmet av att testa fysiska teorier genom att jämföra experimentella resultat med förutsägelser som beräknas på ett papper eller på en dator förutsätter att alla sådana förutsägelser kan lösas i polynom tid på en klassisk dator. I nuvarande experiment med kvantpartiklar, såsom grundläggande tester av kvantmekanik eller småskaliga kvantberäkningar och simuleringar [1] [2] [3] [4], är det fortfarande möjligt att följa detta paradigm, eftersom resultaten kan beräknas på en klassisk dator och verifieras i experiment med kvantsystem. Det finns dock en hel klass av problem-till exempel simulering av komplexa kvantsystem [6] -som kan lösas i polynom tid endast på en kvantdator [7]. En av de centrala begreppsmässiga frågorna i den nuvarande kvantdatorn är därför huruvida någon enhet kan testa de resultat som erhållits av en kvantdator, även om den enheten inte själv kan beräkna dessa resultat. Eller, ur ett annat perspektiv, kan en försöksperson med endast klassiska resurser eller begränsade kvantresurser bevisa att en viss enhet är en kvantdator [8]? Medan det slutgiltiga svaret på sådana frågor fortfarande är öppet, finns det flera förslag som erbjuder en lösning när kontrollören är utrustad med en rad kvantresurser [9-14]-kvantum minne, två insnärjda kvantdatorer, eller ett stort antal qubits-som dock är utom räckhåll för nuvarande teknik. Här visar vi hur man verifierar en kvantberäkning på fyra qubits. Vår metod är direkt tillämplig på aktuell teknik och kan enkelt utvidgas till mer allmänna fall. Vi visar att endast minimala kvantresurser (speciellt enstaka kvantbitar) krävs för att certifiera en kvantinformationsprocessor. Vårt protokoll är oberoende av det fysiska system på vilket det genomförs och det kan därför tillämpas på alla kvant- Medan frågan om huruvida en klassisk kontrollör kan testa ett kvantsystem fortfarande är öppet, visade det sig att en kontrollör som har tillgång till vissa kvantresurser kan verifiera kvantberäkningar. Här, inom ramen för blind kvantdator, måste kontrollören kunna generera enstaka qubits och överföra dem till provaren. Efter överföringen av qubits, kontrollören och provaren utbyter tvåvägs klassisk kommunikation. Datorplattform. Vi har implementerat det nya protokollet på ett fotoniskt kvantsystem och demonstrerar de komponenter som krävs för att verifiera en kvantenhet. Vi visar också hur vårt system kan användas för att verifiera generering av arketypen av en kvantberäkningsresurs, kvantinsnärjning, via ett brott mot Bells ojämlikhet. Vid en sådan verifiering förblir provkroppen blind och kan inte skilja kontrollförfarandet från standarduppgifter för kvantberäkning, t.ex. en- eller flerbitarsgrindar eller hela kvantalgoritmer. Till den bästa arXiv:1309.0005v1 [quant-ph] 30 aug 2013 2 av vår kunskap, är detta det första experimentet för att certifiera riktigheten av en kvantberäkning. Vårt protokoll kombinerar interaktiva bevissystem och blind kvantdator [9] [10] [11]. Interaktiva bevissystem uppfanns ursprungligen inom datavetenskap, för att närma sig frågor i klassisk komplexitetsteori [15, 16]. De har sedan dess utvidgats till området för kvantberäkning [7]. Ett interaktivt bevissystem för kvantprovare tar upp frågan om huruvida en provtagare som har tillgång till kvantberäkningsresurser kan övertyga en klassisk kontrollör om att han kan lösa ett givet problem. Interaktiva bevissystem kan därför användas för att ta itu med de grundläggande frågor som ställs ovan, förutsatt att det traditionella vetenskapliga paradigmet med "prediktering" ersätts med "verifiering". I vårt protokoll ges ramverket för det interaktiva bevissystemet av blinda kvantdata (bild. 1).................................................................. I detta sammanhang kan en kontrollör (eller klient) med begränsade kvantberäkningsresurser delegera en kvantberäkning till en testare (eller server) med full effekt av kvantberäkning så att alla data och hela beräkningen förblir privata [10, 17]. Mer specifikt förbereder kontrollören enstaka qubits i staten med  på engelska {0, π/4,..., 7π/4} som väljs enhetligt på måfå och som endast är kända för kontrollören. De qubits överförs sedan till bevisaren som snärjer dem för att skapa en blind kluster tillstånd [18]. Den faktiska beräkningen är mätningsbaserad [19, 20]. Kontrollören beräknar för varje blind qubit mätinstruktioner enligt var  på j är den blinda fasen av qubit, j är den rotation som kontrollören vill utföra (inklusive eventuella Pauli korrigeringar), och r j (0, 1} är ett slumpmässigt valt värde för att dölja mätresultatet. Bevisaren utför mätningar i basen och levererar resultaten till kontrollören. Utan kunskap om den underliggande rotationen och den slumpmässiga fasen, kan provaren inte ta reda på något om den faktiska rotationen j -så beräkningen förblir blind. Kontrollören däremot känner till den ursprungliga rotationen och kan tolka resultaten. Blind quantum computing är därför ett kraftfullt verktyg för att delegera beräkningar och få tillgång till resurser från kraftfulla kvantdatorer utan att divulgera innehållet i beräkningen. I det följande visar vi hur detta koncept kan tillämpas för att verifiera kvantberäkningar. Inom ramen för blind quantum computing, för att testa en kvantberäkning, måste riktigheten av de mätningar som utförs av servern verifieras. Här använder vi ett verifieringsförfarande som är baserat på skapandet av fälla qubits [12]. Fällorna förbereds blint i ett väldefinierat tillstånd, som endast kontrollanten känner till, och isoleras från själva beräkningen. Mätvinkeln för dessa gillor väljs så att mätresultatet är förutbestämt av kontrollören, och därmed kommer alla fuskstrategier som används av servern som ändrar dessa mätresultat att upptäckas. Genom att slumpmässigt välja platserna för fällan qubits är det sedan möjligt att begränsa sannolikheten för att servern kan fuska medan förblir oupptäckt. I vår miljö genomför vi förberedelsen av fällan qubits genom en mätningsbaserad beräkning på non-trap qubits. Kontrollören väljer mätinställningar på klustret tillstånd så att någon av de qubits kan bli en fälla qubit, förberedd i ett slumpmässigt tillstånd  på j. Om fällan qubit sedan mäts i basen  på j, resultatet kommer alltid att vara känt för kontrollören (se bild. 2 )............................................................................................................... Vårt mätbaserade skapande av fällan qubits innebär att vi verifierar ett samband mellan en delmängd av mätningar, snarare än ett enda mätresultat. Vi måste därför vara noga med att se till att riktigheten i dessa korrelationer för alla fångstmetoder innebär att en viss beräkningskörning är korrekt. I vår demonstration med hjälp av ett fyra-qubit system, är bara ett fel fortfarande oupptäckt (se bilaga). Detta särskilda fel kan dock inte ändra resultatet av den mätning av Bells kvantitet som presenteras i detta dokument. Detta verifieringsförfarande kan användas för att kontrollera att kvantifieringen utfördes korrekt. Därför anser vi att flera körningar av protokollet, där kontrollören slumpmässigt väljer att köra en faktisk beräkning eller ett verifieringstest (se bild. Denna förordning träder i kraft den tjugonde dagen efter det att den har offentliggjorts i Europeiska unionens officiella tidning. Denna användning av flera körningar av blind-beräkning protokoll kan vi göra optimal användning av de qubits som finns i vårt system. Dessutom kan servern inte skilja mellan en faktisk beräkningskörning eller en fällakörning. Därför, som diskuteras i detalj i bilagan, kan detta förfarande användas för att kontrollera inte bara mätresultatens korrekthet utan också hela kvantberäkningen. När fälla beräkning och mål beräkning är slumpmässigt interspersed, då sannolikheten för att kvantdatorn producerar rätt resultat för verifiering körs, men ett fel resultat för beräkningskörningar begränsas av ett värde beroende på tre parametrar: antalet beräkningskörningar, antalet fälla körningar, och på det totala antalet qubits i systemet (se bilaga). När mätresultaten är verifierade kan vi fortsätta att använda systemet för att undersöka provkroppens insnärjningsförmåga och dess förmåga att skapa klustertillstånd. Kvantkorrelationer bekräftas vanligtvis av väletablerade tester av Bells ojämlikhet [21] (Fig. 4)................................................................. För att göra det, kombinationer av specifika mätinställningar α, α och β, β utförs på den första (a) och på den andra qubit (b), respektive, efter att ha genererat en insnärjd tillstånd  på a,b. Inställningarna väljs så att en maximal överträdelse av Bell ojämlikhet av Clauser- b) Den blinda sicksack kluster tillstånd, och c) dess motsvarande krets. Om rotationen i den lägre tråden, −δ4 +  på 4, väljs lika med noll (eller π), kommer ingångstillståndet i den lägre tråden att vara lika med  på 0 b ( på 1 b ); annars, om rotationen väljs lika med ±π/2 kommer inmatningen att vara + i b. Kanten mellan qubits 2 och 3 utför en CPhase grind på de två qubits, vilket resulterar i en insnärjd tillstånd i det förra fallet, och i ett unentangled tillstånd i det senare. Värdena för δ1, δ2 och δ3, samt faserna  på 1,  och 3 bestämmer klockmätningsinställningarna. Horne-Shimony-Holt (CHSH) typ [22] erhålls för en insnärjd tillstånd: korrelationskoefficienterna E(·, ·) definieras av slumptalen vid mätning av qubit a i bas α och qubit b i bas β (för detaljer se tillägget). För att göra Bell-testen blinda döljer vi generationen av det insnärjda tillståndet samt Bell-mätningsinställningarna. För detta, vi baserar vårt genomförande på en blind sicksack kluster tillstånd med fyra qubits  på j, som visas i Bild. Detta beslut träder i kraft dagen efter det att det har offentliggjorts i Europeiska unionens officiella tidning. Enkel-qubit mätningar på den blinda sicksack kluster tillstånd förverkliga en kvantkrets som erbjuder exakt de grader av frihet som är nödvändiga för vår blinda Bell test. För det första har kontrollören, med hjälp av denna typ av kluster, möjlighet att blint växla mellan snärjda eller separerade ingångsstater genom att välja δ 4 och 4 i enlighet med detta. För det andra är de standardiserade mätinställningarna för ett Bell-test dolda eftersom de bestäms av faserna i de blinda kvantbitarna 1, 2, och 3 och deras respektive mätinställningar på 1, 2, och 3 (se bilagan för närmare information). Som ett resultat av detta kodas såväl statsgenerationen som Bellstate-mätningarna i fas med blinda qubits som i mätinstruktionerna, som när som helst förblir okända för provaren. Valet av kluster-state-konfigurationen förblir också dolt för provaren. Detta är en särskild fördel med vårt probabilistiska genomförande av blind kvantdator, där alla qubits mäts. Vi använder de särskilda fördelar som fotoner erbjuder för att förverkliga ett kvantnätverk som kan kommunicera och bearbeta kvantinformation [23] inom samma fysiska system [18]. I vårt experiment genereras de blinda klustertillstånden från fotonpar insnärjda i polarisering och läge, som härrör från spontan parametrisk nedkonversion [24]. Vårt upplägg och de metoder som används förklaras i detalj i ref. 10; i det nuvarande experimentet, skapar vi blinda kluster tillstånd för olika inställningar av J och använda dem för att genomföra exemplariska körningar av fälla beräkningar samt Bell-test körningar-de nödvändiga byggstenarna i ett verifierat test av Bell kvantitet. För att demonstrera mätverifieringen använder vi blinda linjära klustertillstånd och blinda roterade hästskokluster för att förbereda fällor enligt bild. 2a och 2b. Genom att välja de blinda faserna  på j och mätinställningarna på δ j som anges i bilagan, förbereder vi fällorna:  tillfälle 2 =  till + och  till + i (6)  tillfälle 3 = R z (3π/4) till + och R z (π/4) till + (7) på qubits 1, 2, 3 och 4, respektive ( till + = ( till 0 ±  till 1 )/ ε 2,  till + i = ( till 0 ± i till 1 )/ ε 2). Sannolikheten att hitta rätt resultat är långt över 90%, som visas i bild. Denna förordning träder i kraft den tjugonde dagen efter det att den har offentliggjorts i Europeiska unionens officiella tidning. För en verifiering av kvantinsnärjning väljer vi kombinationer av 4 och 4 för att skapa det insnärjda tillståndet: och för att blint genomföra Bell-mätningsinställningarna väljer vi: där baserna α, β och β definieras som {( ska0 ± e iα  ska1 )/ ε 2} etc., och α är ett mått i basen { ska0,  ska1 }. För att få de mätinställningar som anges i Eq. (10) väljer vi kombinationer av J och J som anges i detalj i bilagan. Från den uppmätta sammanfallsfrekvensen beräknar vi korrelationskoefficienterna som ska vara: E(α, β) = −0,646 ± 0,067 (13) Dessa koefficienter leder till en S-parameter som bryter mot den klassiska begränsningen ( och = 2) med mer än 3 standardavvikelser. Kombinationen av verifieringsförfarandet och denna kränkning av Bells ojämlikhet räcker för att otvetydigt verifiera bevisarens förmåga att utföra insnärjningsgrindar mellan qubits och därmed skapa kluster stater. I vårt experiment genomför vi en delmängd av alla möjliga blinda tillstånd. Tillstånden i qubits 1 och 4 är fast till  på +, medan tillstånden i qubits 2 och 3 är helt blinda [18]. Hela verifieringsproceduren förblir dock blind om vi utgår från att provaren inte har någon förhandskunskap om vårt val av tillstånd och mätningar. Brottet mot Bells ojämlikhet är omöjligt klassiskt, inte på grund av hög komplexitet, utan snarare på grundval av fysiska principer. I vårt genomförande utgår vi från att kvantmekaniken är korrekt för verifiering av mätresultaten. Utan detta antagande skulle en fullständig demonstration kräva att de två insnärjda fotonerna sändes till två avlägsna laboratorier, där kontrollören endast vid det allra sista steget i beräkningen ger mätinstruktionerna till provaren. På så sätt kunde ingen klassisk dator härma, inte ens i princip resultatet av beräkningen a priori, medan kontrollförfarandet fortfarande skulle ha ett positivt resultat. Framtida storskaliga kvantdatorer och kvantsimulatorer [25] [26] [27] [28] kommer att kräva kontroll av deras experimentella resultat [29]. På grund av kvantsystemens överlägsna beräkningskapacitet kan resultaten inte bara beräknas och kontrolleras på en klassisk enhet. Utvecklingen av nya metoder för verifiering av kvantberäkningar är därför en viktig uppgift. Här har vi utvecklat en ny generell metod för att verifiera kvantberäkningar som enkelt kan appliceras på nuvarande småskaliga kvantdatorer. Vi har i teorin och i experimentet visat hur en kontrollör kan testa om kvantdatorn är kvant och även om den beräknar korrekt. Slutligen, hur verifieringsmekanismer ger insikter i frågor om beräknings komplexitet och i grunden för kvantfysik är det ett ämne för aktiv aktuell forskning. Hittills är gränsen för hög beräknings komplexitet mestadels outforskad och det är inte omöjligt att kvantmekanik bryter ner i någon skala av komplexitet [30]. Verifieringsmetoder, som de som rapporteras här i, är inte bara viktiga som en mekanism för att certifiera kvantdatorer, utan ger också en helt ny verktygslåda för att ta itu med grundläggande frågor inom kvantfysik och datavetenskap. [1] D. Deutsch, Proc. R. Soc. A 400, 97 (1985). [2] D. Detta beslut träder i kraft dagen efter det att det har offentliggjorts i Europeiska unionens officiella tidning.
En småskalig version av detta protokoll genomfördes i kvantoptik REF.
Experimental verification of quantum computations
{'venue': 'Nature Physics 9, 727-731 (2013)', 'journal': None, 'mag_field_of_study': ['Physics']}