Quantum Federated Learning (QFL) is an emerging field that harnesses advances in Quantum Computing (QC) to improve the scalability and efficiency of decentralized Federated Learning (FL) models. This paper provides a systematic and comprehensive survey of the emerging problems and solutions when FL meets QC, from research protocol to a novel taxonomy, particularly focusing on both quantum and federated limitations, such as their architectures, Noisy Intermediate Scale Quantum (NISQ) devices, and privacy preservation, so on. With the introduction of two novel metrics, qubit utilization efficiency and quantum model training strategy, we present a thorough analysis of the current status of the QFL research. This work explores key developments and integration strategies, along with the impact of QC on FL, keeping a sharp focus on hybrid quantum-classical approaches. The paper offers an in-depth understanding of how the strengths of QC, such as gradient hiding, state entanglement, quantum key distribution, quantum security, and quantum-enhanced differential privacy, have been integrated into FL to ensure the privacy of participants in an enhanced, fast, and secure framework. Finally, this study proposes potential future directions to address the identified research gaps and challenges, aiming to inspire faster and more secure QFL models for practical use.


翻译:量子联邦学习(QFL)是一个新兴领域,它利用量子计算(QC)的进展来提升去中心化联邦学习(FL)模型的可扩展性和效率。本文从研究范式到新颖的分类体系,系统而全面地综述了当FL与QC结合时出现的问题与解决方案,特别聚焦于量子与联邦两方面的局限性,例如其架构、噪声中等规模量子(NISQ)设备及隐私保护等。通过引入两个新指标——量子比特利用效率和量子模型训练策略,我们对QFL研究的现状进行了深入分析。本研究探讨了关键进展与集成策略,以及QC对FL的影响,并重点关注混合量子-经典方法。本文深入阐述了QC的优势,如梯度隐藏、态纠缠、量子密钥分发、量子安全及量子增强差分隐私,如何被整合到FL中,从而在一个增强的、快速且安全的框架内确保参与者的隐私。最后,本研究针对已识别的研究空白与挑战,提出了潜在的未来方向,旨在为实际应用激发更快速、更安全的QFL模型。

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联邦学习(Federated Learning)是一种新兴的人工智能基础技术,在 2016 年由谷歌最先提出,原本用于解决安卓手机终端用户在本地更新模型的问题,其设计目标是在保障大数据交换时的信息安全、保护终端数据和个人数据隐私、保证合法合规的前提下,在多参与方或多计算结点之间开展高效率的机器学习。其中,联邦学习可使用的机器学习算法不局限于神经网络,还包括随机森林等重要算法。联邦学习有望成为下一代人工智能协同算法和协作网络的基础。
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