DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-025-08737-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40140579
تاريخ النشر: 2025-03-26
المؤلف: Minzhao Liu وآخرون
الموضوع الرئيسي: خوارزميات وهندسة الحوسبة الكمومية
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون المنهجية لبروتوكول العشوائية المعتمد لديهم، والذي يهدف إلى تحقيق خاصيتين رئيسيتين: اعتماد العشوائية وتوسيع العشوائية. يضمن اعتماد العشوائية أن تكون المخرجات غير قابلة للتنبؤ، موزعة بشكل موحد، وغير مرتبطة بأي معلومات سابقة متاحة للعميل أو الخادم أو البيئة. يتطلب توسيع العشوائية أن تتجاوز الإنتروبيا المعتمدة من قبل العميل الإنتروبيا المستهلكة أثناء توليد الدوائر واختيار مجموعات التحقق.
يعالج البروتوكول $M$ من سلاسل البتات المستلمة من الخادم، والتي يشار إليها بـ $X_M$، والتي لا تلبي في البداية معايير اعتماد العشوائية بسبب توزيعها غير المتساوي. لتصحيح ذلك، يتم إدخال سلاسل البتات في مستخرج عشوائي، يشار إليه بـ $\text{Ext}$، مع بذور مستخرج خاصة $K_{\text{ext}}$ تعود للعميل. تنتج هذه العملية بتات الإخراج النهائية $K$ التي توزع بشكل موحد، مع الأخذ في الاعتبار أي معلومات جانبية كلاسيكية، ممثلة بـ $I_{\text{sn}}$. يتميز الإخراج المثالي للبروتوكول بأنه حالة مختلطة بشكل أقصى $\tau_K$ مدمجة مع الحالة الكمومية $\rho_{I_{\text{sn}}}$، مما يدل على الاستقلال عن المعلومات الجانبية الأولية. يقيس المؤلفون أمان البروتوكول من خلال مسافة التتبع بين المخرجات المثالية والحقيقية، مما يحدد حدود الإنتروبيا الدنيا السلسة للعينات الخام التي يعيدها الخادم كقياس للموثوقية.
نقاش
تقدم الدراسة بروتوكول عشوائية معتمد معدل يدمج أخذ عينات الدوائر العشوائية (RCS) مع التحقق الكلاسيكي، مما يمكّن عميلًا كلاسيكيًا من توثيق العشوائية من خادم كمومي غير موثوق. يتضمن البروتوكول قيام العميل بتوليد دوائر تحدي من $n$ كيوبت، والتي تُرسل إلى الخادم الكمومي لأخذ العينات. يتم تقييم ردود الخادم باستخدام درجات قياس التقاطع (XEB)، والتي تعمل كمقياس لمدى قرب سلاسل البتات المعادة من التوزيعات المتوقعة. تشير درجة XEB العالية، جنبًا إلى جنب مع وقت استجابة سريع، إلى أن الخادم يجب أن يكون قد استخدم حاسوبًا كموميًا، مما يضمن كمية كبيرة من الإنتروبيا باحتمالية عالية.
يظهر المؤلفون البروتوكول باستخدام معالج كمومي محاصر عالي الدقة وحساب كلاسيكي على نطاق إكساسكال، محققين تنفيذًا ناجحًا يوفر ضمانًا نظريًا للقدرة المعقدة بمقدار $\Omega(n)$ بت من الإنتروبيا. تشير النتائج التجريبية إلى أن البروتوكول يمكنه تمييز بفعالية بين الخوادم الصادقة والمعادية، مع القدرة على توثيق العشوائية حتى عندما يستخدم الخصم تقنيات المحاكاة الكلاسيكية. تشير النتائج إلى أن التحسينات المستقبلية في دقة الأجهزة الكمومية وسرعة التنفيذ قد تحسن أداء البروتوكول بشكل أكبر، مما يجعله طريقًا واعدًا لتوليد العشوائية الآمنة في التطبيقات التشفيرية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-025-08737-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40140579
Publication Date: 2025-03-26
Author(s): Minzhao Liu et al.
Primary Topic: Quantum Computing Algorithms and Architecture
Methods
In this section, the authors outline the methodology for their certified randomness protocol, which aims to achieve two key properties: randomness certification and randomness expansion. Randomness certification ensures that the outputs are unpredictable, uniformly distributed, and uncorrelated with any prior information available to the client, server, or environment. Randomness expansion requires that the entropy certified by the client exceeds the entropy consumed during the generation of circuits and the selection of validation sets.
The protocol processes $M$ bitstrings received from the server, denoted as $X_M$, which initially do not meet the randomness certification criteria due to their non-uniform distribution. To rectify this, the bitstrings are fed into a randomness extractor, denoted as $\text{Ext}$, along with a private extractor seed $K_{\text{ext}}$ belonging to the client. This process yields final output bits $K$ that are uniformly distributed, while accounting for any classical side information, represented as $I_{\text{sn}}$. The ideal output of the protocol is characterized as a maximally mixed state $\tau_K$ combined with the quantum state $\rho_{I_{\text{sn}}}$, indicating independence from the initial side information. The authors quantify the protocol’s security through the trace distance between the ideal and actual outputs, establishing bounds on the smooth min-entropy of the raw samples returned by the server as a measure of soundness.
Discussion
The research presents a modified certified randomness protocol that integrates random circuit sampling (RCS) with classical verification, enabling a classical client to authenticate randomness from an untrusted quantum server. The protocol involves the client generating $n$-qubit challenge circuits, which are sent to the quantum server for sampling. The server’s responses are evaluated using cross-entropy benchmarking (XEB) scores, which serve as a measure of how closely the returned bitstrings align with the expected distributions. A high XEB score, coupled with a rapid response time, indicates that the server must have utilized a quantum computer, thereby certifying a significant amount of entropy with high probability.
The authors demonstrate the protocol using a high-fidelity trapped-ion quantum processor and exascale classical computation, achieving a successful implementation that provides a complexity-theoretic guarantee of $\Omega(n)$ bits of entropy. The experimental results indicate that the protocol can effectively distinguish between honest and adversarial servers, with the ability to certify randomness even when the adversary employs classical simulation techniques. The findings suggest that future enhancements in quantum device fidelity and execution speed could further improve the protocol’s performance, making it a promising avenue for secure randomness generation in cryptographic applications.