Wetenschap
De experimentele demonstratie van een verifieerbaar blind kwantumcomputerprotocol
Kwantumcomputers, systemen die informatie verwerken en opslaan door gebruik te maken van kwantummechanische verschijnselen, zouden uiteindelijk op tal van taken beter kunnen presteren dan klassieke computers. Deze computers kunnen onderzoekers onder meer in staat stellen complexe optimalisatieproblemen aan te pakken, de ontdekking van geneesmiddelen te versnellen en gebruikers beter te beschermen tegen cyberbedreigingen.
Ondanks hun voordelen zijn de meeste bestaande kwantumcomputers nog steeds slechts toegankelijk voor een beperkt aantal mensen wereldwijd. Computerwetenschappers hebben daarom geprobeerd benaderingen te ontwikkelen die het wijdverbreide gebruik ervan op de korte termijn zouden kunnen vergemakkelijken, bijvoorbeeld door gebruik te maken van cloudgebaseerde systemen die externe toegang tot kwantumservers mogelijk maken.
Hoewel op de cloud gebaseerde benaderingen de toegang van mensen tot kwantumcomputing kunnen vergroten, brengen ze ook aanzienlijke privacy- en veiligheidsrisico's met zich mee, omdat kwaadwillig toegang kan worden verkregen tot de informatie en activiteiten van gebruikers. In de afgelopen jaren hebben sommige onderzoeken benaderingen geïntroduceerd die deze beperkingen zouden kunnen overwinnen, waardoor servers de algoritmen van een klant kunnen verbergen, evenals de informatie die wordt gevoed of geproduceerd door een cloudgebaseerd kwantumcomputersysteem.
Onderzoekers van de Universiteit van Oxford zijn onlangs begonnen met het experimenteel testen van een voorgestelde aanpak voor het realiseren van verifieerbare blinde kwantumcomputers. Hun artikel, gepubliceerd in Physical Review Letters , bevestigt de belofte van deze aanpak voor het verbeteren van de veiligheid van cloudgebaseerde kwantumcomputerplatforms.
"Aan de Universiteit van Oxford hebben we een van de meest geavanceerde kwantumnetwerken ter wereld gebouwd", vertelde Gabriel Araneda, co-auteur van het artikel, aan Phys.org.
"We hebben verschillende mijlpalen op het gebied van kwantumnetwerken kunnen demonstreren, waaronder de eerste volledige realisatie van een apparaatonafhankelijke kwantumsleuteldistributie tussen systemen op afstand, en het eerste kwantumnetwerk van op afstand verstrengelde atoomklokken."
In hun recente artikel concentreerden Araneda, Peter Drmota en hun medewerkers zich specifiek op de taak van het veilig delegeren van kwantumberekeningen uitgevoerd door een client naar een niet-vertrouwde kwantumserver via een netwerkverbinding.
"Blind quantum computing is voorgesteld als een oplossing om cloud computing te beveiligen, waarbij klanten berekeningen kunnen delegeren aan een quantumserver zonder het algoritme of de verwerkte gegevens prijs te geven", aldus Drmota. "Bovendien kan de client verifiëren of het resultaat van de server correct is; een aanzienlijke uitdaging als een probleem niet op een andere manier efficiënt kan worden aangepakt."
Tot een paar jaar geleden hielden theoretische voorstellen voor het realiseren van veilige cloudgebaseerde kwantumcomputing geen rekening met de onvolkomenheden van apparaten. Omdat bekend is dat kwantumcomputers talloze inherente onvolkomenheden hebben, bleken deze voorstellen uiteindelijk ineffectief en kwetsbaar voor ruis.
Een paper van Dominik Leichtle en zijn collega's van de Sorbonne Universiteit en de Universiteit van Edinburgh introduceerden een efficiënt blind verificatieprotocol voor het delegeren van kwantumberekeningen. Als onderdeel van hun onderzoek wilden Drmota en zijn collega's aan de Universiteit van Oxford dit protocol in een experimentele omgeving toepassen, waarbij ze een systeem van gevangen ionen gebruikten dat via een kwantumvezelverbinding was verbonden met een voor de klant toegankelijk fotonisch detectiesysteem.
"Het protocol voor blinde kwantumcomputing is moeilijk te implementeren omdat elke stap een correctie met zich meebrengt die op volgende stappen moet worden toegepast", legt David Nadlinger, co-auteur van het artikel, uit. "Het is daarom interactief en vereist real-time feedforward van informatie om de berekening in lijn te houden met het beoogde algoritme."
Eerdere realisaties van het blinde quantum computing-protocol maakten gebruik van fotonen, zowel voor het uitvoeren van berekeningen als voor de communicatie met klanten. Deze puur fotonische implementaties waren niet in staat om deterministisch verwarrende poorten uit te voeren en misten realtime feedforward-informatie.
Dit betekent dat ze een naselectie van de uitkomsten nodig hadden, wat hun effectiviteit voor toepassingen in de echte wereld aanzienlijk vermindert. Drmota en zijn collega's realiseerden het blinde quantum computing-protocol op een andere manier en waren in staat deze problemen te overwinnen.
"We gebruiken een robuuste geheugenqubit in onze server, die deterministisch kan worden verstrengeld met een tweede qubit en ons in staat stelt kwantuminformatie op te slaan terwijl de apparaten de realtime feedforward-bewerkingen uitvoeren", aldus Drmota.
"Het primaire doel van dit experiment was om de efficiëntie- en beveiligingsbeperkingen van eerdere implementaties te elimineren. We bereiken deterministisch protocolsucces door gebruik te maken van snelle, adaptieve hardware bij de client en een geheugenqubit op de server die deterministisch kan worden verstrengeld met de netwerkqubit. "
Om hun experiment uit te voeren, gebruikten de onderzoekers een kwantumprocessor met gevangen ionen die via een glasvezel-kwantumlink met het apparaat van een klant was verbonden. Hun ontwikkelde systeem is in wezen afhankelijk van een netwerkqubit die verstrengeld is met afzonderlijke fotonen die via een optische vezel naar klanten worden verzonden, evenals een geheugenqubit die de huidige status van een berekening opslaat.
"De klant gebruikt een veel eenvoudiger apparaat:een fotonendetector, speciaal gebouwd om de polarisatie van de binnenkomende fotonen op een willekeurig schakelbare basis te meten", aldus Araneda.
"De meting van het foton doet de golffunctie van de verstrengelde toestand tussen het foton en de netwerkqubit instorten, waardoor de toestand van de netwerkqubit naar een toestand wordt 'gestuurd' die exclusief bij de klant bekend is."
Het proces waardoor de toestand van de kwantumqubit wordt ‘gestuurd’ naar een staat die alleen bekend is bij klanten, wordt ‘remote state Preparation’ genoemd. Dit proces leidt er uiteindelijk toe dat de server 'blind' is voor de status van zijn eigen qubits.
"De beschikbaarheid van een geheugenqubit in de server met coherentietijden van meer dan 10 seconden stelt de client in staat om in realtime te reageren op tussentijdse resultaten verkregen van de server door de basis van de polarisatie-analysator halverwege de berekening aan te passen", legden de onderzoekers uit. /P>
"Gecombineerd met de mogelijkheid om de qubits in de server deterministisch te verstrengelen, slaagt elke poging tot een berekening deterministisch en is er geen naselectie vereist."
De demonstratie van een blind verificatieprotocol door de onderzoekers zou binnenkort nieuwe mogelijkheden kunnen openen voor de implementatie van cloudgebaseerde kwantumcomputerdiensten. Omdat kwantumcomputers geavanceerde technologieën zijn die moeilijk op grote schaal kunnen worden ingezet, zal hun betrouwbare werking op afstand hoogstwaarschijnlijk de meest haalbare route zijn om wijdverbreid gebruik op korte termijn mogelijk te maken.
"Ons experiment laat zien hoe quantum computing-klanten privé en veilig toegang kunnen krijgen tot de verwerkingskracht van externe quantumcomputers", aldus Drmota. “Met behulp van een kwantumlink vanuit huis, door middel van een eenvoudig meetapparaat, kunnen alle verwerkte gegevens en het algoritme zelf worden beschermd door de wetten van de kwantummechanica. Verder laten we zien hoe de klant kan verifiëren dat de resultaten verkregen van de server hebben gelijk."
Het recente werk van Drmota en zijn medewerkers levert een belangrijke bijdrage aan het snel voortschrijdende veld van quantum computing. Andere onderzoeksteams zouden spoedig inspiratie kunnen putten uit hun voorgestelde aanpak, wat zou kunnen leiden tot verdere voorstellen en ontwikkelingen.
"Vanuit technisch oogpunt is het koppelen van drie verschillende qubits, een foton, een calciumion en een strontiumion, een uitdaging en brengt het een aanzienlijke experimentele complexiteit met zich mee", aldus de onderzoekers.
“We zijn erin geslaagd om alle benodigde tools te combineren om blind quantum computing in een realistische omgeving te implementeren, waarbij alle hardware van de klant onafhankelijk van de server wordt bestuurd en de berekeningen worden uitgevoerd met realtime feedforward van klassieke informatie, terwijl kwantuminformatie wordt opgeslagen op een computer. geheugenqubit."
In hun volgende onderzoeken zijn Drmota en zijn medewerkers van plan verder te bouwen aan hun systeem. Ze zouden hun aanpak bijvoorbeeld kunnen uitbreiden om grotere berekeningen uit te voeren, met behulp van eerder voorgestelde systemen die kunnen worden opgeschaald (d.w.z. door het aantal geheugenqubits en de betrouwbaarheid van lokale bewerkingen te vergroten).
"De afstand tussen de server en de client kan ook worden uitgebreid naar netwerken op stadsschaal met behulp van beproefde technieken om de fotonen om te zetten in telecommunicatiegolflengten", voegde Araneda eraan toe.
"Bovendien kan het aantal klanten ook worden vergroot door optische schakelaars te gebruiken, waardoor de door de kwantumprocessor uitgezonden fotonen naar verschillende klanten worden geleid. In samenwerking met prof. Elham Kashefi en het Britse National Quantum Computing Centre gaan we toekomstige wegen verkennen voor het verifiëren van kwantumberekeningen op verschillende experimentele platforms die ultramoderne ruisniveaus toestaan."