Die experimentelle Demonstration eines überprüfbaren blinden Quantencomputerprotokolls

Quantencomputer, Systeme, die Informationen verarbeiten und speichern und dabei quantenmechanische Phänomene nutzen, könnten bei zahlreichen Aufgaben schließlich klassische Computer übertreffen. Diese Computer könnten es Forschern unter anderem ermöglichen, komplexe Optimierungsprobleme anzugehen, die Entdeckung von Medikamenten zu beschleunigen und Benutzer besser vor Cyber-Sicherheitsbedrohungen zu schützen.

Trotz ihrer Vorteile sind die meisten vorhandenen Quantencomputer immer noch nur einer begrenzten Anzahl von Menschen weltweit zugänglich. Informatiker versuchen daher, Ansätze zu entwickeln, die ihren breiten Einsatz in naher Zukunft erleichtern könnten, beispielsweise durch den Einsatz cloudbasierter Systeme, die einen Fernzugriff auf Quantenserver ermöglichen.

Während cloudbasierte Ansätze den Zugang der Menschen zum Quantencomputing erweitern könnten, bergen sie auch erhebliche Datenschutz- und Sicherheitsrisiken, da auf die Informationen und Aktivitäten der Benutzer in böswilliger Absicht zugegriffen werden könnte. 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 eingespeisten oder erzeugten Informationen zu verbergen.

Forscher der Universität Oxford haben sich kürzlich daran gemacht, einen vorgeschlagenen Ansatz zur Realisierung eines überprüfbaren blinden Quantencomputings experimentell zu testen. Ihr Papier, veröffentlicht In Briefe zur körperlichen Untersuchungbestätigt das Versprechen dieses Ansatzes zur Verbesserung der Sicherheit cloudbasierter Quantencomputerplattformen.

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

In ihrer jüngsten Arbeit konzentrierten sich Araneda, Peter Drmota und ihre Mitarbeiter 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 – eine große Herausforderung, wenn ein Problem nicht auf andere Weise effizient gelöst werden kann.“

Bis vor einigen Jahren berücksichtigten theoretische Vorschläge zur Realisierung eines sicheren Cloud-basierten Quantencomputings die Unvollkommenheiten von Geräten nicht. Da Quantencomputer bekanntermaßen zahlreiche inhärente Mängel aufweisen, erwiesen sich diese Vorschläge letztendlich als ineffektiv und anfällig für Rauschen.

In einem Artikel von Dominik Leichtle und seinen Kollegen von der Sorbonne University und der Edinburgh University wurde ein effizientes Blindverifizierungsprotokoll für die Delegation von Quantenberechnungen vorgestellt. Im Rahmen ihrer Studie wollten Drmota und seine Kollegen von der Universität Oxford dieses Protokoll in einer experimentellen Umgebung anwenden, indem sie ein System eingefangener Ionen verwendeten, das über eine Quantenfaserverbindung mit einem für den Kunden zugänglichen photonischen Detektionssystem verbunden war.

„Das Protokoll für blindes Quantencomputing ist schwierig zu implementieren, da jeder Schritt eine Korrektur mit sich bringt, die auf nachfolgende Schritte angewendet werden muss“, erklärte David Nadlinger, Co-Autor des Papiers. „Es ist daher interaktiv und erfordert eine Echtzeit-Weiterleitung von Informationen, um die Berechnung im Einklang mit dem beabsichtigten Algorithmus zu halten.“

Frühere Realisierungen des blinden Quantencomputerprotokolls nutzten Photonen sowohl für die Durchführung von Berechnungen als auch für die Kommunikation mit Kunden. Diese rein photonischen Implementierungen waren nicht in der Lage, Entangling Gates deterministisch auszuführen und es fehlten Echtzeit-Feedforward-Informationen.

Dies bedeutet, dass eine Nachauswahl der Ergebnisse erforderlich war, was ihre Wirksamkeit für reale Anwendungen erheblich verringert. Drmota und seine Kollegen realisierten das blinde Quantencomputerprotokoll anders 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 Echtzeit-Feedforward-Operationen 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. Ihr entwickeltes System basiert im Wesentlichen auf einem Netzwerk-Qubit, das mit einzelnen Photonen verschränkt ist, die über eine Glasfaser an Clients gesendet werden, sowie auf einem Speicher-Qubit, das den aktuellen Stand einer Berechnung speichert.

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

„Die Messung des Photons kollabiert die Wellenfunktion des verschränkten Zustands zwischen dem Photon und dem Netzwerk-Qubit und ‚steuert‘ so den Zustand des Netzwerk-Qubits in einen Zustand, der ausschließlich dem Client 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 Polarisationsanalysators während der Berechnung anpasst“, erklärten die Forscher.

„Kombiniert mit der Fähigkeit, die Qubits im Server deterministisch zu verschränken, gelingt jeder Berechnungsversuch deterministisch und es ist keine Nachauswahl erforderlich.“

Die Demonstration eines Blindverifizierungsprotokolls durch die 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 höchstwahrscheinlich kurzfristig der praktikabelste Weg sein, um ihren breiten Einsatz zu ermöglichen.

„Unser Experiment zeigt, wie Quantencomputerkunden privat und sicher auf die Rechenleistung entfernter Quantencomputer zugreifen können“, sagte Drmota. „Mithilfe 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 Client die vom Server erhaltenen Ergebnisse überprüfen kann.“ sind richtig.“

Die jüngste Arbeit von Drmota und seinen Mitarbeitern ist ein bedeutender Beitrag zum schnell voranschreitenden Bereich des Quantencomputings. Andere Forschungsteams könnten sich bald von ihrem vorgeschlagenen Ansatz inspirieren lassen, was zu weiteren 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.

„Es ist uns gelungen, alle notwendigen Werkzeuge zu kombinieren, um blindes Quantencomputing in einer realistischen Umgebung zu implementieren, in der die gesamte Hardware des Clients unabhängig vom Server gesteuert wird und die Berechnungen mit Echtzeit-Feedforward klassischer Informationen ausgeführt werden, während Quanteninformationen auf einem gespeichert werden Speicher-Qubit.

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

„Die Entfernung zwischen dem Server und dem Client könnte auch auf Netzwerke im Stadtmaßstab ausgedehnt werden, indem bewährte Techniken zur Umwandlung der 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 Prof. Elham Kashefi und dem UK National Quantum Computing Centre werden wir zukünftige Wege erkunden.“ zur Verifizierung von Quantenberechnungen auf verschiedenen experimentellen Plattformen, die hochmoderne Rauschpegel zulassen.“

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