La démonstration expérimentale d’un protocole informatique quantique aveugle vérifiable

Les ordinateurs quantiques, systèmes qui traitent et stockent des informations en exploitant les phénomènes de la mécanique quantique, pourraient à terme surpasser les ordinateurs classiques dans de nombreuses tâches. Entre autres choses, ces ordinateurs pourraient permettre aux chercheurs de résoudre des problèmes d’optimisation complexes, d’accélérer la découverte de médicaments et de mieux protéger les utilisateurs contre les menaces de cybersécurité.

Malgré leurs avantages, la plupart des ordinateurs quantiques existants ne sont encore accessibles qu’à un nombre limité de personnes dans le monde. Les informaticiens ont donc tenté de développer des approches qui pourraient faciliter leur utilisation généralisée à court terme, par exemple en utilisant des systèmes basés sur le cloud permettant un accès à distance aux serveurs quantiques.

Si les approches basées sur le cloud pourraient élargir l’accès des utilisateurs à l’informatique quantique, elles présentent également des risques importants en matière de confidentialité et de sécurité, dans la mesure où les informations et les activités des utilisateurs pourraient faire l’objet d’un accès malveillant. Ces dernières années, certaines études ont introduit des approches susceptibles de surmonter ces limitations, permettant aux serveurs de dissimuler les algorithmes d’un client, ainsi que les informations fournies ou produites par un système informatique quantique basé sur le cloud.

Des chercheurs de l’Université d’Oxford ont récemment entrepris de tester expérimentalement une approche proposée pour réaliser une informatique quantique aveugle vérifiable. Leur papier, publié dans Lettres d’examen physiquevalide la promesse de cette approche pour améliorer la sécurité des plateformes d’informatique quantique basées sur le cloud.

« À l’Université d’Oxford, nous avons construit l’un des réseaux quantiques les plus sophistiqués au monde », a déclaré Gabriel Araneda, co-auteur de l’article, à Phys.org.

« Nous avons pu démontrer plusieurs étapes importantes dans le domaine des réseaux quantiques, notamment la première réalisation complète d’une distribution de clés quantiques indépendante du dispositif entre systèmes distants et le premier réseau quantique d’horloges atomiques intriquées à distance. »

Dans leur récent article, Araneda, Peter Drmota et leurs collaborateurs se sont spécifiquement concentrés sur la tâche consistant à déléguer en toute sécurité les calculs quantiques effectués par un client à un serveur quantique non fiable via une liaison réseau.

« L’informatique quantique aveugle a été proposée comme solution pour sécuriser le cloud computing, où les clients peuvent déléguer des calculs à un serveur quantique sans révéler l’algorithme ou les données traitées », a déclaré Drmota. « De plus, le client peut vérifier si le résultat obtenu du serveur est correct, ce qui constitue un défi de taille si un problème ne peut être résolu efficacement par d’autres moyens. »

Jusqu’il y a quelques années, les propositions théoriques visant à réaliser une informatique quantique sécurisée basée sur le cloud ne prenaient pas en compte les imperfections des appareils. Comme les ordinateurs quantiques sont connus pour présenter de nombreuses imperfections inhérentes, ces propositions se sont finalement révélées inefficaces et vulnérables au bruit.

Un article de Dominik Leichtle et de ses collègues de l’Université de la Sorbonne et de l’Université d’Édimbourg a présenté un protocole de vérification aveugle efficace pour déléguer les calculs quantiques. Dans le cadre de leur étude, Drmota et ses collègues de l’Université d’Oxford ont décidé d’appliquer ce protocole dans un cadre expérimental, en utilisant un système d’ions piégés connecté à un système de détection photonique accessible au client via une liaison par fibre quantique.

« Le protocole d’informatique quantique aveugle est difficile à mettre en œuvre car chaque étape entraîne une correction à appliquer aux étapes suivantes », a expliqué David Nadlinger, co-auteur de l’article. « Il est donc interactif et nécessite une transmission d’informations en temps réel pour que le calcul reste conforme à l’algorithme prévu. »

Les réalisations précédentes du protocole informatique quantique aveugle utilisaient des photons à la fois pour effectuer des calculs et pour communiquer avec les clients. Ces implémentations purement photoniques étaient incapables d’effectuer des portes intriquantes de manière déterministe et manquaient d’informations de rétroaction en temps réel.

Cela signifie qu’ils ont nécessité une post-sélection des résultats, ce qui réduit considérablement leur efficacité pour les applications réelles. Drmota et ses collègues ont réalisé le protocole informatique quantique aveugle différemment et ont pu surmonter ces problèmes.

« Nous utilisons un qubit de mémoire robuste dans notre serveur, qui peut être intriqué de manière déterministe avec un deuxième qubit et nous permet de stocker des informations quantiques pendant que les appareils effectuent les opérations de rétroaction en temps réel », a déclaré Drmota.

« L’objectif principal de cette expérience était d’éliminer les limitations d’efficacité et de sécurité des implémentations antérieures. Nous obtenons le succès du protocole déterministe en utilisant un matériel rapide et adaptatif chez le client et un qubit de mémoire sur le serveur qui peut être intriqué de manière déterministe avec le qubit du réseau. « 

Pour réaliser leur expérience, les chercheurs ont utilisé un processeur quantique à ions piégés connecté à l’appareil d’un client via une liaison quantique à fibre optique. Le système développé repose essentiellement sur un qubit de réseau intriqué de photons uniques envoyés aux clients via une fibre optique, ainsi que sur un qubit de mémoire qui stocke l’état actuel d’un calcul.

« Le client utilise un appareil beaucoup plus simple : un détecteur de photons, spécialement conçu pour mesurer la polarisation des photons entrants sur une base commutable arbitraire », a déclaré Araneda.

« La mesure du photon réduit la fonction d’onde de l’état intriqué entre le photon et le qubit du réseau, « orientant » ainsi l’état du qubit du réseau dans un état connu exclusivement du client. »

Le processus par lequel l’état du qubit quantique est « dirigé » vers un état connu uniquement des clients est appelé « préparation d’état à distance ». Ce processus est ce qui conduit finalement le serveur à être « aveugle » à l’état de ses propres qubits.

« La disponibilité d’un qubit mémoire dans le serveur avec des temps de cohérence supérieurs à 10 secondes permet au client de réagir en temps réel aux résultats intermédiaires obtenus du serveur en ajustant la base de l’analyseur de polarisation en cours de calcul », expliquent les chercheurs.

« Combinée à la capacité d’enchevêtrer de manière déterministe les qubits dans le serveur, chaque tentative de calcul réussit de manière déterministe et aucune post-sélection n’est requise. »

La démonstration par les chercheurs d’un protocole de vérification aveugle pourrait bientôt ouvrir de nouvelles possibilités pour la mise en œuvre de services d’informatique quantique basés sur le cloud. Les ordinateurs quantiques étant des technologies avancées difficiles à déployer à grande échelle, leur fonctionnement fiable à distance sera probablement la voie la plus viable pour permettre leur utilisation généralisée à court terme.

« Notre expérience montre comment les utilisateurs de l’informatique quantique peuvent accéder à la puissance de traitement des ordinateurs quantiques distants de manière privée et sécurisée », a déclaré Drmota. « En utilisant une liaison quantique depuis chez soi, au moyen d’un simple appareil de mesure, toutes les données traitées et l’algorithme lui-même peuvent être protégés par les lois de la mécanique quantique. De plus, nous montrons comment le client peut vérifier que les résultats obtenus du serveur sont corrects. »

Les travaux récents de Drmota et de ses collaborateurs constituent une contribution significative au domaine en évolution rapide de l’informatique quantique. D’autres équipes de recherche pourraient bientôt s’inspirer de l’approche proposée, ce qui pourrait déboucher sur de nouvelles propositions et développements.

« D’un point de vue technique, l’interfaçage de trois qubits différents, un photon, un ion calcium et un ion strontium, est un défi et s’accompagne d’une complexité expérimentale significative », ont déclaré les chercheurs.

« Nous avons réussi à combiner tous les outils nécessaires pour mettre en œuvre l’informatique quantique aveugle dans un cadre réaliste, où tout le matériel du client est contrôlé indépendamment du serveur et où les calculs sont exécutés avec une rétroaction en temps réel des informations classiques tandis que les informations quantiques sont stockées sur un serveur. qubit de mémoire. »

Dans leurs prochaines études, Drmota et ses collaborateurs prévoient de continuer à développer leur système. Par exemple, ils pourraient étendre leur approche pour effectuer des calculs plus importants, en utilisant des systèmes proposés précédemment et pouvant être mis à l’échelle (c’est-à-dire en augmentant le nombre de qubits de mémoire et la fidélité des opérations locales).

« La distance entre le serveur et le client pourrait également être étendue aux réseaux à l’échelle urbaine en utilisant des techniques éprouvées pour convertir les photons en longueurs d’onde de télécommunication », a ajouté Araneda.

« De plus, le nombre de clients peut également être augmenté en utilisant des commutateurs optiques, acheminant les photons émis par le processeur quantique vers différents clients. En collaboration avec le professeur Elham Kashefi et le National Quantum Computing Centre du Royaume-Uni, nous allons explorer de futures avenues. pour vérifier les calculs quantiques sur différentes plates-formes expérimentales admettant des niveaux de bruit de pointe.

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