The ability for users to access quantum computers through the cloud has increased rapidly in recent years. Despite still being Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ) machines, modern quantum computers are now being actively employed for research and by numerous startups. Quantum algorithms typically produce probabilistic results, necessitating repeated execution to produce the desired outcomes. In order for the execution to begin from the specified ground state each time and for the results of the prior execution not to interfere with the results of the subsequent execution, the reset mechanism must be performed between each iteration to effectively reset the qubits. However, due to noise and errors in quantum computers and specifically these reset mechanisms, a noisy reset operation may lead to systematic errors in the overall computation, as well as potential security and privacy vulnerabilities of information leakage. To counter this issue, we thoroughly examine the state leakage problem in quantum computing, and then propose a solution by employing the classical and quantum one-time pads before the reset mechanism to prevent the state leakage, which works by randomly applying simple gates for each execution of the circuit. In addition, this work explores conditions under which the classical one-time pad, which uses fewer resources, is sufficient to protect state leakage. Finally, we study the role of various errors in state leakage, by evaluating the degrees of leakage under different error levels of gate, measurement, and sampling errors. Our findings offer new perspectives on the design of reset mechanisms and secure quantum computing systems.


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量子计算是一种遵循量子力学规律调控量子信息单元进行计算的新型计算模式。对照于传统的通用计算机,其理论模型是通用图灵机;通用的量子计算机,其理论模型是用量子力学规律重新诠释的通用图灵机。从可计算的问题来看,量子计算机只能解决传统计算机所能解决的问题,但是从计算的效率上,由于量子力学叠加性的存在,目前某些已知的量子算法在处理问题时速度要快于传统的通用计算机。

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