Kvantdatorer, system som bearbetar och lagrar information som utnyttjar kvantmekaniska fenomen, skulle så småningom kunna överträffa klassiska datorer på många uppgifter. Dessa datorer kan bland annat göra det möjligt för forskare att ta itu med komplexa optimeringsproblem, påskynda läkemedelsupptäckten och bättre skydda användare mot cybersäkerhetshot.
Trots sina fördelar är de flesta befintliga kvantdatorer fortfarande bara tillgängliga för ett begränsat antal människor världen över. Datavetare har därför försökt utveckla metoder som skulle kunna underlätta deras utbredda användning på kort sikt, till exempel genom att använda molnbaserade system som tillåter fjärråtkomst till kvantservrar.
Även om molnbaserade tillvägagångssätt kan bredda människors tillgång till kvantberäkningar, utgör de också betydande integritets- och säkerhetsrisker, eftersom användarnas information och aktivitet kan kommas åt på ett skadligt sätt. Under de senaste åren har vissa studier introducerat tillvägagångssätt som kan övervinna dessa begränsningar, vilket gör det möjligt för servrar att dölja en klients algoritmer, såväl som den information som matas eller produceras av ett molnbaserat kvantberäkningssystem.
Forskare vid University of Oxford gav sig nyligen ut för att experimentellt testa en föreslagen metod för att förverkliga verifierbar blind kvantberäkning. Deras artikel, publicerad i Physical Review Letters , bekräftar löftet om detta tillvägagångssätt för att förbättra säkerheten för molnbaserade kvantberäkningsplattformar.
"Vid University of Oxford har vi byggt ett av de mest sofistikerade kvantnätverken i världen," sa Gabriel Araneda, medförfattare till tidningen, till Phys.org.
"Vi har kunnat demonstrera flera milstolpar inom området kvantnätverk, inklusive den första fullständiga realiseringen av en enhetsoberoende kvantnyckeldistribution mellan fjärrsystem, och det första kvantnätverket av avlägset intrasslade atomur."
I sin senaste uppsats fokuserade Araneda, Peter Drmota och deras medarbetare specifikt på uppgiften att säkert delegera kvantberäkningar utförda av en klient till en opålitlig kvantserver via en nätverkslänk.
"Blind kvantberäkning har föreslagits som en lösning för säker molnberäkning, där klienter kan delegera beräkningar till en kvantserver utan att avslöja algoritmen eller bearbetade data", sa Drmota. "Dessutom kan klienten verifiera om resultatet som erhålls från servern är korrekt - en betydande utmaning om ett problem inte kan åtgärdas effektivt på något annat sätt."
Fram till för några år sedan tog teoretiska förslag för att förverkliga säker molnbaserad kvantberäkning inte hänsyn till bristerna hos enheter. Eftersom kvantdatorer är kända för att ha många inneboende brister, visade sig dessa förslag till slut vara ineffektiva och sårbara för brus.
En artikel av Dominik Leichtle och hans kollegor vid Sorbonne University och Edinburgh University introducerade ett effektivt blindverifieringsprotokoll för delegering av kvantberäkningar. Som en del av sin studie bestämde sig Drmota och hans kollegor vid Oxford University för att tillämpa detta protokoll i en experimentell miljö, med hjälp av ett system av fångade joner kopplade till ett klienttillgängligt fotoniskt detektionssystem via en kvantfiberlänk.
"Protokollet för blind kvantberäkning är svårt att implementera eftersom varje steg medför en korrigering som ska tillämpas på efterföljande steg," förklarade David Nadlinger, medförfattare till tidningen. "Den är därför interaktiv och kräver feedforward av information i realtid för att hålla beräkningen i linje med den avsedda algoritmen."
Tidigare realiseringar av det blinda kvantberäkningsprotokollet använde fotoner både för att utföra beräkningar och för att kommunicera med klienter. Dessa rent fotoniska implementeringar kunde inte utföra intrasslande grindar deterministiskt och saknade feedforward-information i realtid.
Detta innebär att de krävde efterval av resultat, vilket avsevärt minskar deras effektivitet för verkliga tillämpningar. Drmota och hans kollegor insåg det blinda kvantberäkningsprotokollet annorlunda och kunde övervinna dessa problem.
"Vi använder en robust minnesqubit i vår server, som kan intrasslas deterministiskt med en andra qubit och låter oss lagra kvantinformation medan enheterna utför feedforward-operationer i realtid," sa Drmota.
"Det primära syftet med det här experimentet var att eliminera effektiviteten och säkerhetsbegränsningarna i tidigare implementeringar. Vi uppnår deterministisk protokollframgång genom att använda snabb, adaptiv hårdvara på klienten och en minnesqubit på servern som kan intrasslas deterministiskt med nätverksqubiten. "
För att utföra sitt experiment använde forskarna en fångade-jon-kvantprocessor som var kopplad till en klients enhet via en fiberoptisk kvantlänk. Deras utvecklade system förlitar sig i huvudsak på en nätverksqubit intrasslad med enstaka fotoner som skickas till klienter via en optisk fiber, såväl som en minnesqubit som lagrar det aktuella tillståndet för en beräkning.
"Klienten använder en mycket enklare enhet:en fotondetektor, speciellt byggd för att mäta polariseringen av de inkommande fotonerna på en godtycklig omkopplingsbar basis", sa Araneda.
"Mätningen av fotonen kollapsar vågfunktionen för det intrasslade tillståndet mellan fotonen och nätverksqubiten, och "styr" på så sätt nätverksqubitens tillstånd till ett tillstånd som är känt exklusivt för klienten."
Processen genom vilken tillståndet för kvant-qubiten "styrs" till ett tillstånd som endast är känt för klienter kallas för "fjärrtillståndsförberedelse". Denna process är vad som i slutändan leder till att servern är "blind" för tillståndet för sina egna qubits.
"Tillgängligheten av en minnesqubit i servern med koherenstider som överstiger 10 sekunder gör det möjligt för klienten att reagera i realtid på mellanliggande resultat som erhålls från servern genom att justera basen för polarisationsanalysatorns mid-beräkning", förklarade forskarna.
"Kombinerat med förmågan att deterministiskt trassla in qubitarna i servern, lyckas varje försök till en beräkning deterministiskt och inget efterval krävs."
Forskarnas demonstration av ett blindverifieringsprotokoll kan snart öppna nya möjligheter för implementering av molnbaserade kvantdatortjänster. Eftersom kvantdatorer är avancerad teknik som är svår att implementera i stor skala, kommer deras tillförlitliga fjärrstyrning med största sannolikhet att vara den mest lönsamma vägen för att möjliggöra bred användning på kort sikt.
"Vårt experiment visar hur kvantdatorkunder kan komma åt processorkraften hos fjärrkvantdatorer privat och säkert," sa Drmota. "Med hjälp av en kvantlänk hemifrån, med hjälp av en enkel mätenhet, kan all bearbetad data och själva algoritmen skyddas av kvantmekanikens lagar. Vidare visar vi hur klienten kan verifiera att resultaten som erhålls från servern är korrekta."
Det senaste arbetet av Drmota och hans medarbetare är ett betydande bidrag till kvantberäkningens snabbt framskridande område. Andra forskarlag kan snart hämta inspiration från sitt föreslagna tillvägagångssätt, vilket kan leda till ytterligare förslag och utvecklingar.
"Från teknisk synvinkel är gränssnitt mellan tre olika qubits, en foton, en kalciumjon och en strontiumjon, utmanande och kommer med betydande experimentell komplexitet," sa forskarna.
"Vi lyckades kombinera alla nödvändiga verktyg för att implementera blind kvantberäkning i en realistisk miljö, där all klients hårdvara styrs oberoende av servern och beräkningarna exekveras med realtidsfeedforward av klassisk information medan kvantinformation lagras på en minnesqubit."
I sina nästa studier planerar Drmota och hans medarbetare att fortsätta bygga på sitt system. De skulle till exempel kunna utöka sitt tillvägagångssätt för att utföra större beräkningar, med hjälp av tidigare föreslagna system som kan uppskalas (d.v.s. öka antalet minnesqubits och troheten för lokala operationer).
"Avståndet mellan servern och klienten kan också utökas till stadsnätverk med hjälp av beprövade tekniker för att konvertera fotoner till telekommunikationsvåglängder," tillade Araneda.
"Dessutom kan antalet klienter också ökas genom att använda optiska switchar, som dirigerar fotonerna som emitteras av kvantprocessorn till olika klienter. I samarbete med professor Elham Kashefi och UK National Quantum Computing Centre kommer vi att utforska framtida vägar för att verifiera kvantberäkningar på olika experimentella plattformar som tillåter toppmoderna ljudnivåer."
Mer information: P. Drmota et al, Verifiable Blind Quantum Computing with Trapped Ions and Single Photons, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.150604
Journalinformation: Fysiska granskningsbrev
© 2024 Science X Network
