Die experimentelle Demonstration eines überprüfbaren blinden Quantencomputerprotokolls

Quantencomputer, Systeme, die Informationen verarbeiten und speichern, indem sie sich die Phänomene der Quantenmechanik zunutze machen, könnten letztendlich bei vielen Aufgaben klassische Computer übertreffen. Diese Computer könnten es Forschern unter anderem ermöglichen, komplexe Optimierungsprobleme zu lösen, die Entdeckung von Medikamenten zu beschleunigen und Benutzer besser vor Cybersicherheitsbedrohungen zu schützen.

Trotz ihrer Vorteile sind die meisten vorhandenen Quantencomputer immer noch nur einer begrenzten Anzahl von Menschen auf der Welt zugänglich. Informatiker haben daher versucht, Ansätze zu entwickeln, die ihren breiten Einsatz kurzfristig erleichtern könnten, etwa durch den Einsatz cloudbasierter Systeme, die einen Fernzugriff auf Quantenserver ermöglichen.

Während cloudbasierte Ansätze den Benutzerzugriff auf Quantencomputing erweitern könnten, bergen sie auch erhebliche Datenschutz- und Sicherheitsrisiken, da Benutzerinformationen und -aktivitäten einem böswilligen Zugriff ausgesetzt sein könnten. In den letzten Jahren wurden in einigen Studien Ansätze vorgestellt, die diese Einschränkungen überwinden könnten und es Servern ermöglichen, die Algorithmen eines Clients sowie die von einem Cloud-basierten Quantencomputersystem bereitgestellten oder erzeugten Informationen zu verbergen.

Forscher der Universität Oxford haben sich kürzlich daran gemacht, einen vorgeschlagenen Ansatz zur Erzielung eines überprüfbaren blinden Quantencomputings experimentell zu testen. Ihr Artikel, veröffentlicht in Briefe zur körperlichen Untersuchungbestätigt das Versprechen dieses Ansatzes zur Verbesserung der Sicherheit cloudbasierter Quantencomputing-Plattformen.

„An der Universität Oxford haben wir eines der fortschrittlichsten Quantennetzwerke der Welt aufgebaut“, sagte Gabriel Araneda, Co-Autor der Arbeit, gegenüber Phys.org.

„Wir konnten mehrere wichtige Meilensteine ​​auf dem Gebiet der Quantennetzwerke nachweisen, darunter die erste vollständige Realisierung einer geräteunabhängigen Quantenschlüsselverteilung zwischen entfernten Systemen und das erste Quantennetzwerk entfernt verschränkter Atomuhren.“

In ihrer aktuellen Arbeit konzentrierten sich Araneda, Peter Drmota und Kollegen speziell auf die Aufgabe, von einem Client durchgeführte Quantenberechnungen über eine Netzwerkverbindung sicher an einen nicht vertrauenswürdigen Quantenserver zu delegieren.

„Blindes Quantencomputing wurde als Lösung für sicheres Cloud Computing vorgeschlagen, bei dem Kunden Berechnungen an einen Quantenserver delegieren können, ohne den Algorithmus oder die verarbeiteten Daten preiszugeben“, sagte Drmota. „Außerdem kann der Kunde überprüfen, ob das vom Server erhaltene Ergebnis korrekt ist, was eine große Herausforderung darstellt, wenn ein Problem nicht auf andere Weise effektiv gelöst werden kann.“

Bis vor einigen Jahren berücksichtigten theoretische Vorschläge zur Verwirklichung eines sicheren Cloud-basierten Quantencomputings nicht die Unvollkommenheiten der Geräte. Da Quantencomputer bekanntermaßen viele inhärente Mängel aufweisen, erwiesen sich diese Vorschläge letztendlich als ineffizient und anfällig für Rauschen.

In einem Artikel von Dominik Leichtle und Kollegen von der Sorbonne University und der University of Edinburgh wurde ein effizientes Blindverifikationsprotokoll zur Delegation von Quantenberechnungen vorgestellt. Im Rahmen ihrer Studie beschlossen Drmota und seine Kollegen von der Universität Oxford, dieses Protokoll in einer experimentellen Umgebung anzuwenden und dabei ein System gefangener Ionen zu verwenden, das mit einem photonischen Detektionssystem verbunden ist, das für den Kunden über eine Quantenfaserverbindung zugänglich ist.

„Das blinde Quantencomputing-Protokoll ist schwierig zu implementieren, da jeder Schritt zu einer Korrektur führt, die auf nachfolgende Schritte angewendet werden muss“, erklärte David Nadlinger, Co-Autor des Papiers. „Es ist daher interaktiv und erfordert eine Echtzeit-Informationsübertragung, damit die Berechnung mit dem beabsichtigten Algorithmus konsistent bleibt.“

Frühere Realisierungen des Blind Quantum Computing-Protokolls verwendeten Photonen sowohl zur Durchführung von Berechnungen als auch zur Kommunikation mit Clients. Diese rein photonischen Implementierungen waren nicht in der Lage, verschränkte Gatter deterministisch auszuführen, und es fehlten Echtzeit-Rückkopplungsinformationen.

Dies bedeutet, dass eine Nachauswahl der Ergebnisse erforderlich war, was ihre Wirksamkeit für reale Anwendungen erheblich verringert. Drmota und seine Kollegen führten das blinde Quantencomputerprotokoll anders aus und konnten diese Probleme überwinden.

„Wir verwenden in unserem Server ein robustes Speicher-Qubit, das deterministisch mit einem zweiten Qubit verschränkt werden kann und es uns ermöglicht, Quanteninformationen zu speichern, während die Geräte die Rückkopplungsvorgänge in Echtzeit durchführen“, sagte Drmota.

„Das Hauptziel dieses Experiments bestand darin, die Effizienz- und Sicherheitseinschränkungen früherer Implementierungen zu beseitigen. Wir erreichen einen deterministischen Protokollerfolg, indem wir schnelle, adaptive Hardware auf dem Client und ein Speicher-Qubit auf dem Server verwenden, das deterministisch mit dem Netzwerk-Qubit verknüpft werden kann.“ ”

Um ihr Experiment durchzuführen, verwendeten die Forscher einen Quantenprozessor mit gefangenen Ionen, der über eine faseroptische Quantenverbindung mit dem Gerät eines Kunden verbunden war. Das entwickelte System basiert im Wesentlichen auf einem verschränkten Netzwerk-Qubit aus einzelnen Photonen, das über eine Glasfaser an Clients gesendet wird, sowie auf einem Speicher-Qubit, das den aktuellen Stand einer Berechnung speichert.

„Der Kunde verwendet ein viel einfacheres Gerät: einen Photonendetektor, der speziell dafür entwickelt wurde, die Polarisation einfallender Photonen auf einer willkürlich umschaltbaren Basis zu messen“, sagte Araneda.

„Die Messung des Photons reduziert die Wellenfunktion des verschränkten Zustands zwischen dem Photon und dem Gitter-Qubit und „steuert“ dadurch den Zustand des Gitter-Qubits in einen Zustand, der ausschließlich dem Kunden bekannt ist.“

Der Prozess, durch den der Zustand des Quanten-Qubits in einen Zustand „gelenkt“ wird, der nur den Kunden bekannt ist, wird als „Remote-State-Preparation“ bezeichnet. Dieser Prozess führt letztendlich dazu, dass der Server „blind“ für den Zustand seiner eigenen Qubits ist.

„Die Verfügbarkeit eines Speicher-Qubits im Server mit Kohärenzzeiten von mehr als 10 Sekunden ermöglicht es dem Client, in Echtzeit auf vom Server erhaltene Zwischenergebnisse zu reagieren, indem er die Basis des zu berechnenden Polarisationsanalysators anpasst“, erklären die Forscher.

„In Kombination mit der Fähigkeit, Qubits im Server deterministisch zu verschränken, gelingt jeder Rechenversuch deterministisch und es ist keine Nachauswahl erforderlich.“

Die Demonstration eines Blindverifizierungsprotokolls durch Forscher könnte bald neue Möglichkeiten für die Implementierung cloudbasierter Quantencomputerdienste eröffnen. Da es sich bei Quantencomputern um fortschrittliche Technologien handelt, die nur schwer in großem Maßstab eingesetzt werden können, wird ihr zuverlässiger Fernbetrieb wahrscheinlich der praktikabelste Weg sein, um ihren breiten Einsatz in naher Zukunft zu ermöglichen.

„Unser Experiment zeigt, wie Nutzer von Quantencomputern privat und sicher auf die Rechenleistung entfernter Quantencomputer zugreifen können“, sagte Drmota. „Durch die Verwendung einer Quantenverbindung von zu Hause aus können mithilfe eines einfachen Messgeräts alle verarbeiteten Daten und der Algorithmus selbst durch die Gesetze der Quantenmechanik geschützt werden. Darüber hinaus zeigen wir, wie der Kunde die vom Server erhaltenen Ergebnisse überprüfen kann.“ sind richtig.”

Die jüngste Arbeit von Drmota und Kollegen stellt einen bedeutenden Beitrag zum sich schnell entwickelnden Bereich des Quantencomputings dar. Andere Forschungsteams könnten sich bald von dem vorgeschlagenen Ansatz inspirieren lassen, was zu neuen Vorschlägen und Entwicklungen führen könnte.

„Aus technischer Sicht ist die Verbindung von drei verschiedenen Qubits, einem Photon, einem Kalziumion und einem Strontiumion, eine Herausforderung und mit einer erheblichen experimentellen Komplexität verbunden“, sagten die Forscher.

„Wir haben erfolgreich alle Werkzeuge kombiniert, die zur Implementierung von blindem Quantencomputing in einer realistischen Umgebung erforderlich sind, in der die gesamte Client-Hardware unabhängig vom Server gesteuert wird und Berechnungen mit Echtzeit-Feedback klassischer Informationen ausgeführt werden, während Quanteninformationen auf einem Qubit von gespeichert werden.“ Erinnerung.”

In ihren nächsten Studien planen Drmota und seine Mitarbeiter, ihr System weiterzuentwickeln. Sie könnten ihren Ansatz beispielsweise erweitern, um größere Berechnungen durchzuführen, indem sie zuvor vorgeschlagene Systeme verwenden, die skaliert werden können (d. h. die Anzahl der Speicher-Qubits und die Genauigkeit lokaler Operationen erhöhen).

„Die Entfernung zwischen Server und Client könnte auch auf Netzwerke im Stadtmaßstab ausgeweitet werden, indem bewährte Techniken zur Umwandlung von Photonen in Telekommunikationswellenlängen eingesetzt werden“, fügte Araneda hinzu.

„Darüber hinaus kann die Anzahl der Clients auch durch den Einsatz optischer Schalter erhöht werden, die die vom Quantenprozessor emittierten Photonen an verschiedene Clients weiterleiten. In Zusammenarbeit mit Professor Elham Kashefi und dem britischen National Quantum Computing Centre werden wir zukünftige Wege erkunden. Quantenberechnungen auf verschiedenen experimentellen Plattformen unter Berücksichtigung modernster Rauschpegel zu verifizieren.

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