_ Demonstrația experimentală a un protocol de calcul cuantic orb verificabil

Calculatoarele cuantice, sisteme care procesează și stochează informații folosind fenomene mecanice cuantice, ar putea în cele din urmă depăși computerele clasice în numeroase sarcini. Printre altele, aceste computere ar putea permite cercetătorilor să abordeze probleme complexe de optimizare, să accelereze descoperirea medicamentelor și să protejeze mai bine utilizatorii împotriva amenințărilor de securitate cibernetică.

În ciuda avantajelor lor, majoritatea calculatoarelor cuantice existente sunt încă accesibile doar unui număr limitat de oameni în întreaga lume. Informaticii au încercat astfel să dezvolte abordări care ar putea facilita utilizarea lor pe scară largă în termen scurt, de exemplu folosind sisteme bazate pe cloud care permit accesul de la distanță la serverele cuantice.

În timp ce abordările bazate pe cloud ar putea extinde capacitatea oamenilor. accesul la calculul cuantic, ele prezintă, de asemenea, riscuri semnificative pentru confidențialitate și securitate, deoarece informațiile și activitatea utilizatorilor ar putea fi accesate rău intenționat. În ultimii ani, unele studii au introdus abordări care ar putea depăși aceste limitări, permițând serverelor să ascundă algoritmii unui client, precum și informațiile alimentate sau produse de un sistem de calcul cuantic bazat pe cloud.

Cercetătorii de la Universitatea din Oxford și-a propus recent să testeze experimental o abordare propusă pentru realizarea calculului cuantic orb verificabil. Lucrarea lor, publicată în Physical Review Letters, validează promisiunea acestei abordări pentru îmbunătățirea siguranței platformelor de calcul cuantic bazate pe cloud.

„La Universitatea din Oxford, am construit una dintre cele mai sofisticate rețele cuantice din lume”, a declarat Gabriel Araneda, coautor al lucrării, pentru Phys.org.

„Am reușit să demonstrăm câteva etape în domeniul rețelelor cuantice, inclusiv prima realizare completă. a unei distribuții de chei cuantice independente de dispozitiv între sistemele de la distanță și prima rețea cuantică de ceasuri atomice încurcate de la distanță.”

În lucrarea lor recentă, Araneda, Peter Drmota și colaboratorii lor s-au concentrat în mod special pe sarcina de a asigura în siguranță. delegarea calculelor cuantice efectuate de un client către un server cuantic neîncrezător printr-o conexiune de rețea.

„Calcul cuantic oarb ​​a fost propus ca o soluție pentru securizarea cloud computing, în care clienții pot delega calculele unui server cuantic fără a dezvălui algoritmul sau datele procesate”, a spus Drmota. „Mai mult, clientul poate verifica dacă rezultatul obținut de la server este corect — o provocare semnificativă dacă o problemă nu poate fi abordată eficient prin alte mijloace.”

Până acum câțiva ani, propunerile teoretice pentru realizarea calculul cuantic securizat bazat pe cloud nu a luat în considerare imperfecțiunile dispozitivelor. Întrucât se știe că computerele cuantice au numeroase imperfecțiuni inerente, aceste propuneri s-au dovedit în cele din urmă ineficiente și vulnerabile la zgomot.

O lucrare a lui Dominik Leichtle și colegii săi de la Universitatea Sorbona și Universitatea din Edinburgh a introdus un protocol eficient de verificare oarbă pentru delegare. calcule cuantice. Ca parte a studiului lor, Drmota și colegii săi de la Universitatea Oxford și-au propus să aplice acest protocol într-un cadru experimental, folosind un sistem de ioni prinși conectat la un sistem de detectare fotonică accesibil clientului printr-o legătură cu fibră cuantică.

Realizările anterioare ale protocolului de calcul cuantic orb au folosit fotoni atât pentru efectuarea de calcule, cât și pentru comunicarea cu clienții. Aceste implementări pur fotonice nu au putut să efectueze porți încurcate în mod determinist și nu au avut informații de feedforward în timp real.

Aceasta înseamnă că au necesitat post-selectarea rezultatelor, ceea ce le reduce foarte mult eficiența pentru aplicațiile din lumea reală. Drmota și colegii săi au realizat diferit protocolul de calcul cuantic orb și au reușit să depășească aceste probleme.

„Folosim un qubit de memorie robust pe serverul nostru, care poate fi încurcat determinist cu un al doilea qubit și ne permite să stochează informații cuantice în timp ce dispozitivele efectuează operațiunile de feedforward în timp real”, a spus Drmota.

„Obiectivul principal al acestui experiment a fost eliminarea limitărilor de eficiență și securitate ale implementărilor anterioare folosind hardware rapid, adaptiv la client și un qubit de memorie la server care poate fi încurcat determinist cu qubitul rețelei.”

Pentru a-și efectua experimentul, cercetătorii au folosit un procesor cuantic cu ioni prinși care a fost conectat în rețea. la dispozitivul unui client printr-o legătură cuantică cu fibră optică. Sistemul lor dezvoltat se bazează în esență pe un qubit de rețea încurcat cu fotoni unici care sunt trimiși clienților printr-o fibră optică, precum și pe un qubit de memorie care stochează starea curentă a unui calcul.

„Clientul operează un dispozitiv mult mai simplu: un detector de fotoni, construit special pentru a măsura polarizarea fotonilor de intrare pe o bază de comutare arbitrară”, a spus Araneda.

„Măsurarea fotonului prăbușește funcția de undă a stării încurcate între fotonul și qubit-ul de rețea, „dirigeând” astfel starea qubit-ului de rețea într-o stare cunoscută exclusiv de client.”

Procesul prin care starea qubit-ului cuantic este „direcționată” într-o stare cunoscut doar de clienți este denumit „pregătire la distanță”. Acest proces este ceea ce duce, în cele din urmă, la „orb” serverului față de starea propriilor qubits.

„Disponibilitatea unui qubit de memorie în server cu timpi de coerență care depășesc 10 secunde permite clientului să reacționeze în rezultate în timp real până la intermediare obţinute de la server prin ajustarea bazei analizorului de polarizare la mijlocul calculului”, au explicat cercetătorii.

„Combinat cu capacitatea de a încurca determinist qubiţii din server, fiecare încercare. la un calcul reușește determinist și nu este necesară nicio post-selecție.”

Demonstrarea cercetătorilor a unui protocol de verificare oarbă ar putea deschide în curând noi posibilități pentru implementarea serviciilor de calcul cuantic bazate pe cloud. Întrucât computerele cuantice sunt tehnologii avansate care sunt greu de implementat la scară largă, operarea lor fiabilă de la distanță va fi cel mai probabil calea cea mai viabilă pentru a le permite utilizarea pe scară largă pe termen scurt.

„Experimentul nostru. arată modul în care clienții de calcul cuantic pot accesa puterea de procesare a computerelor cuantice la distanță în mod privat și în siguranță”, a spus Drmota. „Folosind o legătură cuantică de acasă, prin intermediul unui simplu dispozitiv de măsurare, toate datele procesate și algoritmul în sine pot fi protejate de legile mecanicii cuantice. Mai mult, arătăm cum clientul poate verifica dacă rezultatele obținute de pe server sunt corecte.”

Lucrările recente ale lui Drmota și colaboratorii săi reprezintă o contribuție semnificativă la domeniul în creștere rapidă a calculului cuantic. Alte echipe de cercetare s-ar putea inspira în curând din abordarea propusă, ceea ce ar putea duce la propuneri și dezvoltări ulterioare.

„Din punct de vedere tehnic, interfațarea a trei qubiți diferiți, un foton, un ion de calciu și un ionul de stronțiu, este o provocare și vine cu o complexitate experimentală semnificativă”, au spus cercetătorii.

„Am reușit să combinăm toate instrumentele necesare pentru a implementa calculul cuantic orb într-un cadru realist, în care tot hardware-ul clientului este controlat independent de server, iar calculele sunt executate cu feedforward în timp real a informațiilor clasice. în timp ce informația cuantică este stocată pe un qubit de memorie.”

În următoarele studii, Drmota și colaboratorii săi plănuiesc să continue să construiască pe sistemul lor. De exemplu, ei și-ar putea extinde abordarea pentru a efectua calcule mai mari, folosind sisteme propuse anterior care pot fi mărite (adică, creșterea numărului de qubiți de memorie și a fidelității operațiilor locale).

„Distanța dintre serverul și clientul ar putea fi, de asemenea, extinse la rețele la scară oraș, folosind tehnici dovedite pentru a converti fotonii în lungimi de undă de telecomunicații”, a adăugat Araneda.

„În plus, numărul de clienți poate fi crescut și prin utilizarea comutatoarelor optice. , direcționând fotonii emiși de procesorul cuantic către diferiți clienți. În colaborare cu Prof. Elham Kashefi și Centrul Național de Calcul Cuantic al Regatului Unit, vom explora căile viitoare pentru verificarea calculelor cuantice pe diferite platforme experimentale care admit starea actuală. -niveluri artistice de zgomot."

© 2024 Science X Network

(Fluierul)