Den eksperimentelle demonstration af en verificerbar blind kvanteberegningsprotokol
Kvantecomputere, systemer, der behandler og lagrer information, der udnytter kvantemekaniske fænomener, kunne i sidste ende udkonkurrere klassiske computere på adskillige opgaver. Disse computere kunne blandt andet give forskere mulighed for at tackle komplekse optimeringsproblemer, fremskynde opdagelse af lægemidler og bedre beskytte brugere mod cybersikkerhedstrusler.
På trods af deres fordele er de fleste eksisterende kvantecomputere stadig kun tilgængelige for et begrænset antal mennesker verden over. Dataloger har således forsøgt at udvikle tilgange, der kunne lette deres udbredte brug på kort sigt, for eksempel ved hjælp af skybaserede systemer, der tillader fjernadgang til kvanteservere.
Mens cloud-baserede tilgange kan udvide folks adgang til kvantecomputere, udgør de også betydelige privatlivs- og sikkerhedsrisici, da brugernes information og aktivitet kan tilgås skadeligt. I de seneste år har nogle undersøgelser introduceret tilgange, der kunne overvinde disse begrænsninger, hvilket gør det muligt for servere at skjule en klients algoritmer såvel som den information, der fødes eller produceres af et skybaseret kvantecomputersystem.
Forskere ved University of Oxford har for nylig sat sig for eksperimentelt at teste en foreslået tilgang til at realisere verificerbar blind kvanteberegning. Deres papir, udgivet i Physical Review Letters , validerer løftet om denne tilgang til at øge sikkerheden ved skybaserede kvantecomputerplatforme.
"På University of Oxford har vi bygget et af de mest sofistikerede kvantenetværk i verden," fortalte Gabriel Araneda, medforfatter af papiret, til Phys.org.
"Vi har været i stand til at demonstrere adskillige milepæle inden for kvantenetværk, herunder den første komplette realisering af en enhedsuafhængig kvantenøglefordeling mellem fjernsystemer og det første kvantenetværk af fjernt sammenfiltrede atomure."
I deres nylige papir fokuserede Araneda, Peter Drmota og deres samarbejdspartnere specifikt på opgaven med sikker uddelegering af kvanteberegninger udført af en klient til en ikke-pålidelig kvanteserver via et netværkslink.
"Blind kvantecomputere er blevet foreslået som en løsning til sikker cloud computing, hvor klienter kan uddelegere beregninger til en kvanteserver uden at afsløre algoritmen eller de behandlede data," sagde Drmota. "Desuden kan klienten verificere, om resultatet opnået fra serveren er korrekt - en betydelig udfordring, hvis et problem ikke kan løses effektivt på nogen anden måde."
Indtil for et par år siden tog teoretiske forslag til realisering af sikker cloud-baseret kvanteberegning ikke enhedernes ufuldkommenheder i betragtning. Da kvantecomputere er kendt for at have adskillige iboende ufuldkommenheder, viste disse forslag sig i sidste ende ineffektive og sårbare over for støj.
Et papir af Dominik Leichtle og hans kolleger ved Sorbonne University og Edinburgh University introducerede en effektiv blind verifikationsprotokol til uddelegering af kvanteberegninger. Som en del af deres undersøgelse satte Drmota og hans kolleger ved Oxford University sig for at anvende denne protokol i eksperimentelle omgivelser ved at bruge et system af fangede ioner forbundet til et klienttilgængeligt fotonisk detektionssystem via en kvantefiberforbindelse.
"Protokollen for blind kvanteberegning er svær at implementere, fordi hvert trin medfører en korrektion, der skal anvendes på efterfølgende trin," forklarede David Nadlinger, medforfatter af papiret. "Den er derfor interaktiv og kræver feedforward af information i realtid for at holde beregningen i overensstemmelse med den tilsigtede algoritme."
Tidligere realiseringer af den blinde kvanteberegningsprotokol brugte fotoner både til at udføre beregninger og til at kommunikere med klienter. Disse rent fotoniske implementeringer var ude af stand til at udføre entangling-gates deterministisk og manglede feedforward-information i realtid.
Det betyder, at de krævede efterudvælgelse af resultater, hvilket i høj grad reducerer deres effektivitet for applikationer i den virkelige verden. Drmota og hans kolleger indså den blinde kvanteberegningsprotokol anderledes og var i stand til at overvinde disse problemer.
"Vi anvender en robust hukommelses-qubit i vores server, som kan vikles deterministisk sammen med en anden qubit og giver os mulighed for at gemme kvanteinformation, mens enhederne udfører feedforward-operationer i realtid," sagde Drmota.
"Det primære formål med dette eksperiment var at eliminere effektivitets- og sikkerhedsbegrænsningerne ved tidligere implementeringer. Vi opnår deterministisk protokolsucces ved at bruge hurtig, adaptiv hardware på klienten og en hukommelsesqubit på serveren, der kan vikles deterministisk sammen med netværksqubitten. "
For at udføre deres eksperiment brugte forskerne en fanget-ion kvanteprocessor, der var forbundet til en klients enhed via et fiberoptisk kvantelink. Deres udviklede system baserer sig i det væsentlige på et netværks-qubit, der er viklet ind i enkelte fotoner, der sendes til klienter via en optisk fiber, såvel som en hukommelses-qubit, der gemmer den aktuelle tilstand af en beregning.
"Klienten betjener en meget enklere enhed:en fotondetektor, specielt bygget til at måle polariseringen af de indkommende fotoner på en vilkårlig omskiftelig basis," sagde Araneda.
"Målingen af fotonen kollapser bølgefunktionen af den sammenfiltrede tilstand mellem fotonen og netværksqubitten og 'styrer' således netværksqubittens tilstand til en tilstand, som udelukkende er kendt af klienten."
Processen, hvorigennem tilstanden af kvante-qubitten "styres" ind i en tilstand, som kun er kendt af klienter, omtales som "fjerntilstandsforberedelse". Denne proces er det, der i sidste ende fører til, at serveren er 'blind' over for sine egne qubits.
"Tilgængeligheden af en hukommelsesqubit i serveren med kohærenstider på mere end 10 sekunder gør det muligt for klienten at reagere i realtid på mellemresultater opnået fra serveren ved at justere grundlaget for polarisationsanalysatoren midt i beregningen," forklarede forskerne.
"Kombineret med evnen til deterministisk at indvikle qubits i serveren, lykkes hvert forsøg på en beregning deterministisk, og der kræves ingen efterudvælgelse."
Forskernes demonstration af en blind verifikationsprotokol kan snart åbne nye muligheder for implementering af cloud-baserede kvantecomputertjenester. Da kvantecomputere er avancerede teknologier, der er svære at implementere i stor skala, vil deres pålidelige fjernbetjening højst sandsynligt være den mest levedygtige vej til at muliggøre udbredt brug på kort sigt.
"Vores eksperiment viser, hvordan quantum computing-kunder kan få adgang til processorkraften af fjerntliggende kvantecomputere privat og sikkert," sagde Drmota. "Ved hjælp af et kvantelink hjemmefra, ved hjælp af en simpel måleenhed, kan alle de behandlede data og selve algoritmen beskyttes af kvantemekanikkens love. Desuden viser vi, hvordan klienten kan verificere, at resultaterne opnået fra serveren er korrekte."
Det nylige arbejde af Drmota og hans samarbejdspartnere er et væsentligt bidrag til det hastigt fremadskridende felt inden for kvanteberegning. Andre forskerhold kunne hurtigt hente inspiration fra deres foreslåede tilgang, hvilket kunne føre til yderligere forslag og udviklinger.
"Fra et teknisk synspunkt er grænseflade mellem tre forskellige qubits, en foton, en calciumion og en strontiumion, udfordrende og kommer med betydelig eksperimentel kompleksitet," sagde forskerne.
"Vi formåede at kombinere alle de nødvendige værktøjer til at implementere blind kvanteberegning i et realistisk miljø, hvor al klientens hardware styres uafhængigt af serveren, og beregningerne udføres med real-time feedforward af klassisk information, mens kvanteinformation gemmes på en hukommelsesqubit."
I deres næste undersøgelser planlægger Drmota og hans samarbejdspartnere at fortsætte med at bygge videre på deres system. For eksempel kunne de udvide deres tilgang til at udføre større beregninger ved at bruge tidligere foreslåede systemer, der kan opskaleres (dvs. øge antallet af hukommelsesqubits og pålideligheden af lokale operationer).
"Afstanden mellem serveren og klienten kunne også udvides til by-skala netværk ved hjælp af gennemprøvede teknikker til at konvertere fotonerne til telekommunikationsbølgelængder," tilføjede Araneda.
"Desuden kan antallet af klienter også øges ved at bruge optiske switches, der dirigerer de fotoner, der udsendes af kvanteprocessoren til forskellige klienter. I samarbejde med prof. Elham Kashefi og UK National Quantum Computing Centre vil vi udforske fremtidige veje til verificering af kvanteberegninger på forskellige eksperimentelle platforme, der tillader state-of-the-art støjniveauer."
Flere oplysninger: P. Drmota et al., Verifiable Blind Quantum Computing with Trapped Ions and Single Photons, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.150604
Journaloplysninger: Physical Review Letters
© 2024 Science X Network
Sidste artikelBevis for en ny subatomær partikel observeret
Næste artikelBekæmpelse af forstyrrende støj i kvantekommunikation
Varme artikler
-
Nyt displaydesign kan gøre let, kompakte smarte briller en realitetKredit:CC0 Public Domain Forskere har udviklet en grundlæggende ny tilgang til et gennemsigtigt display til augmented reality, eller smarte briller. Ved at projicere billeder fra glasset direkte p -
Materialeforskere bruger stimuleret Raman -spredningsmikroskopi til at observere ioner, der bevæger…Skematisk illustration af en Li-Li symmetrisk celle under SRS-billeddannelse. Kredit:Qian Cheng/Columbia Engineering Litiummetalbatterier holder et enormt løfte om næste generations energilagring, -
3-D nanoprint letter kommunikation med lysMikrolinser og mikrospejle kan fremstilles på optiske fibre og mikrochips ved 3-D nanoprinting. Dette letter samlingen af fotoniske systemer betydeligt. Kredit:Philipp-Immanuel Dietrich/Florian Rupp -
Motor med en diameter på fem millimeter drives direkte med lysFoto af mikromotorrotoren med en diameter på 5,5 mm lavet af specielt orienteret polymerfilm, på en blyantspids. Kredit:UW Physics, Piotr Wasylczyk Forskere ved Det Fysiske Fakultet ved Universite