Since Richard Feynman presented the concept of quantum computers, quantum computing have been identified today overcoming the limits of supercomputing in various applications. Quantum hardware has steadily developed into 50 to hundreds of qubits of various quantum hardware technologies based on superconductors, semiconductors, and trapped ions over 40 years. However, it is possible to use a NISQ (Noisy Intermediate Scale Quantum) level quantum device that currently has hardware constraints. In addition, the software environment in which quantum algorithms for problem solving in various applications can be executed is pursuing research with quantum computing software such as programming language, compiler, control, testing and verification. The development of quantum software is essential amid intensifying technological competition for the commercialization of quantum computers. Therefore, this paper introduces the trends of the latest technology, focusing on quantum computing software platforms, and examines important software component technologies.
With the rapid evolution of quantum computing, digital quantum simulations are essential for quantum algorithm verification, quantum error analysis, and new quantum applications. However, the exponential increase in memory overhead and operation time is challenging issues that have not been solved for years. We propose a novel approach that provides more qubits and faster quantum operations with smaller memory than before. Our method selectively tracks realized quantum states using a reduced quantum state representation scheme instead of loading the entire quantum states into memory. This method dramatically reduces memory space ensuring fast quantum computations without compromising the global quantum states. Furthermore, our empirical evaluation reveals that our proposed idea outperforms traditional methods for various algorithms. We verified that the Grover algorithm supports up to 55 qubits and the surface code algorithm supports up to 85 qubits in 512 GB memory on a single computational node, which is against the previous studies that support only between 35 qubits and 49 qubits.
Journal of Information Science Theory and Practice
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v.10
no.spc
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pp.123-134
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2022
Existing network cryptography systems are threatened by recent developments in quantum computing. For example, the Shor algorithm, which can be run on a quantum computer, is capable of overriding public key-based network cryptography systems in a short time. Therefore, research on new cryptography systems is actively being conducted. The most powerful cryptography systems are quantum key distribution (QKD) and post quantum cryptograph (PQC) systems; in this study, a network based on both QKD and PQC is proposed, along with a quantum key management system (QKMS) and a Q-controller to efficiently operate the network. The proposed quantum cryptography communication network uses QKD as its backbone, and replaces QKD with PQC at the user end to overcome the shortcomings of QKD. This paper presents the functional requirements of QKMS and Q-Controller, which can be utilized to perform efficient network resource management.
Quantum computing is regarded as one of the revolutionary computing technologies, and has attracted considerable attention in various fields, such as finance, chemistry, and medicine. One of the promising candidates to realize fault tolerant quantum computing is quantum dot qubits, due to their expectation of high scalability. In this study, we briefly introduce the international tendencies for quantum dot quantum computing. First, the current status of quantum dot gate operations is summarized. In most systems, over 99% of single qubit gate operation is realized, and controlled-not and controlled-phase gates as 2-qubit entangling gates are demonstrated in quantum dots. Second, several approaches to expand the number of qubits are introduced, such as 1D and 2D arrays and long-range interaction. Finally, the current quantum dot systems are evaluated for conducting quantum computing in terms of their number of qubits and gate accuracies. Quantum dot quantum computing is expected to implement scalable quantum computing. In the noisy intermediate-scale quantum era, quantum computing will expand its applications, enabling upcoming questions such as a fault-tolerant quantum computing architecture and error correction scheme to be addressed.
A quantum light source is an essential element for quantum information technology, including quantum communication, quantum sensor, and quantum computer. Quantum light sources including photon number state, entangled state, and squeezed state can be divided into two types according to the generation mechanism, namely single emitter and non-linear based systems. The single emitter platform contains atom/ion trap, solid-state defect/color center, two-dimensional material, and semiconductor quantum dot, which can emit deterministic photons. The non-linear based platform contains spontaneous parametric down-conversion and spontaneous four-wave mixing, which can emit probabilistic photon pairs. For each platform, we give an overview of the recent research trends of the generation, manipulation, and integration of single photon and entangled photon sources. The characteristics of quantum light sources are investigated for each platform. In addition, we briefly introduce quantum sensing, quantum communication, and quantum computing applications based on quantum light sources. We discuss the challenges and prospects of quantum light sources for quantum information technology.
Noncommutative extensions of the Gross and Beltrami Laplacians, called the quantum Gross Laplacian and the quantum Beltrami Laplacian, resp., are introduced and their basic properties are studied. As noncommutative extensions of the Fourier-Gauss and Fourier-Mehler transforms, we introduce the quantum Fourier-Gauss and quantum Fourier- Mehler transforms. The infinitesimal generators of all differentiable one parameter groups induced by the quantum Fourier-Gauss transform are linear combinations of the quantum Gross Laplacian and quantum Beltrami Laplacian. A characterization of the quantum Fourier-Mehler transform is studied.
Quantum computers can likely perform computations that are unattainable by classical computers, and they represent the next generation of computing technologies. Due to high costs and complex maintenance, direct ownership of quantum computers by individuals users is challenging. Future utilization is predicted to involve quantum computing servers performing delegated computations for clients lacking quantum capabilities, similar to the current utilization of supercomputing. This delegation model allows several users to benefit from quantum computing without requiring ownership, thereby providing innovation potential in various fields. Ensuring data privacy and computational integrity in this model is critical for ensuring the reliability of quantum cloud computing services. However, these requirements are difficult to achieve because classical security techniques cannot be directly applied to quantum computing. We review research on security protocols for the delegation of quantum computing with focus on data privacy and integrity verification. Our analysis covers the background of quantum computing, privacy-preserving quantum computational models, and recent research trends. Finally, we discuss challenges and future directions for secure quantum delegated computations, highlighting their importance for the commercialization and widespread adoption of quantum computing.
KSII Transactions on Internet and Information Systems (TIIS)
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v.17
no.6
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pp.1674-1688
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2023
The remarkable advancement of quantum steganography offers enhanced security for quantum communications. However, there is a significant concern regarding the potential misuse of this technology. Moreover, the current research on identifying malicious quantum steganography is insufficient. To address this gap in steganalysis research, this paper proposes a specialized quantum steganalysis algorithm. This algorithm utilizes quantum machine learning techniques to detect steganography in general quantum secure communication schemes that are based on pure states. The algorithm presented in this paper consists of two main steps: data preprocessing and automatic discrimination. The data preprocessing step involves extracting and amplifying abnormal signals, followed by the automatic detection of suspicious quantum carriers through training on steganographic and non-steganographic data. The numerical results demonstrate that a larger disparity between the probability distributions of steganographic and non-steganographic data leads to a higher steganographic detection indicator, making the presence of steganography easier to detect. By selecting an appropriate threshold value, the steganography detection rate can exceed 90%.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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