Квантовые компьютеры, системы, обрабатывающие и хранящие информацию с использованием квантово-механических явлений, могут в конечном итоге превзойти классические компьютеры в решении многих задач. Помимо прочего, эти компьютеры могут позволить исследователям решать сложные проблемы оптимизации, ускорить поиск лекарств и лучше защитить пользователей от угроз кибербезопасности.

Несмотря на свои преимущества, большинство существующих квантовых компьютеров по-прежнему доступны лишь ограниченному числу людей во всем мире. Таким образом, ученые-компьютерщики пытаются разработать подходы, которые могли бы способствовать их широкому использованию в ближайшем будущем, например, используя облачные системы, которые обеспечивают удаленный доступ к квантовым серверам.

Хотя облачные подходы могут расширить доступ людей к квантовым вычислениям, они также создают значительные риски для конфиденциальности и безопасности, поскольку информация и действия пользователей могут стать объектом злонамеренного доступа. В последние годы в некоторых исследованиях были предложены подходы, которые могли бы преодолеть эти ограничения, позволяя серверам скрывать алгоритмы клиента, а также информацию, передаваемую или производимую облачной системой квантовых вычислений.

Исследователи из Оксфордского университета недавно приступили к экспериментальной проверке предложенного подхода к реализации поддающихся проверке слепых квантовых вычислений. Их статья, опубликованная в журнале Physical Review Letters , подтверждает перспективность этого подхода для повышения безопасности облачных платформ квантовых вычислений.

«В Оксфордском университете мы строим одну из самых сложных квантовых сетей в мире», — рассказал Phys.org Габриэль Аранеда, соавтор статьи.

«Нам удалось продемонстрировать несколько вех в области квантовых сетей, включая первую полную реализацию аппаратно-независимого распределения квантовых ключей между удаленными системами и первую квантовую сеть удаленно запутанных атомных часов».

В своей недавней статье Аранеда, Питер Дрмота и их коллеги специально сосредоточились на задаче безопасного делегирования квантовых вычислений, выполняемых клиентом, ненадежному квантовому серверу через сетевое соединение.

«Слепые квантовые вычисления были предложены в качестве решения для защиты облачных вычислений, когда клиенты могут делегировать вычисления квантовому серверу, не раскрывая алгоритм или обработанные данные», — сказал Дрмота. «Более того, клиент может проверить, верен ли результат, полученный от сервера, — это серьезная проблема, если проблему нельзя эффективно решить никакими другими способами».

Еще несколько лет назад теоретические предложения по реализации безопасных облачных квантовых вычислений не принимали во внимание несовершенства устройств. Поскольку известно, что квантовым компьютерам присущи многочисленные недостатки, эти предложения в конечном итоге оказались неэффективными и уязвимыми к шуму.
В статье Доминика Лейхтле и его коллег из Университета Сорбонны и Эдинбургского университета был представлен эффективный протокол слепой проверки для делегирования квантовых вычислений. В рамках своего исследования Дрмота и его коллеги из Оксфордского университета решили применить этот протокол в экспериментальных условиях, используя систему захваченных ионов, подключенную к доступной для клиента системе фотонного обнаружения через квантово-волоконную связь.

«Протокол слепых квантовых вычислений сложно реализовать, потому что каждый шаг требует коррекции, которую необходимо применить к последующим шагам», — пояснил соавтор статьи Дэвид Надлингер. «Поэтому он интерактивный и требует прямой передачи информации в реальном времени, чтобы вычисления соответствовали намеченному алгоритму».

Предыдущие реализации протокола слепых квантовых вычислений использовали фотоны как для выполнения вычислений, так и для общения с клиентами. Эти чисто фотонные реализации не могли детерминированно выполнять запутывающие ворота и не имели информации прямой связи в реальном времени.

Это означает, что им требовался пост-отбор результатов, что значительно снижает их эффективность для реальных приложений. Дрмота и его коллеги по-другому реализовали протокол слепых квантовых вычислений и смогли преодолеть эти проблемы.

«На нашем сервере мы используем надежный кубит памяти , который можно детерминированно связать со вторым кубитом и позволяет нам хранить квантовую информацию, пока устройства выполняют операции прямой связи в реальном времени», — сказал Дрмота.

«Основная цель этого эксперимента заключалась в устранении ограничений эффективности и безопасности более ранних реализаций. Мы добиваемся успеха детерминированного протокола, используя быстрое, адаптивное оборудование на клиенте и кубит памяти на сервере, который можно детерминированно связать с сетевым кубитом. »

Для проведения эксперимента исследователи использовали квантовый процессор с захваченными ионами, который был подключен к устройству клиента через оптоволоконную квантовую связь. Разработанная ими система по существу опирается на сетевой кубит, запутанный с одиночными фотонами, которые отправляются клиентам через оптическое волокно, а также кубит памяти, который хранит текущее состояние вычислений.

«Клиент использует гораздо более простое устройство: детектор фотонов, специально созданный для измерения поляризации входящих фотонов на произвольной переключаемой основе», — сказал Аранеда.

«Измерение фотона разрушает волновую функцию запутанного состояния между фотоном и сетевым кубитом, таким образом «переводя» состояние сетевого кубита в состояние, известное исключительно клиенту».

Процесс, посредством которого состояние квантового кубита «переводится» в состояние, известное только клиентам, называется «подготовкой удаленного состояния». Именно этот процесс в конечном итоге приводит к тому, что сервер «слеп» к состоянию своих кубитов.

«Наличие кубита памяти на сервере со временем когерентности, превышающим 10 секунд, позволяет клиенту реагировать в режиме реального времени на промежуточные результаты, полученные от сервера, путем корректировки базы анализатора поляризации в середине вычислений», — пояснили исследователи.

«В сочетании со способностью детерминированно запутывать кубиты на сервере каждая попытка вычисления завершается детерминированно и никакого последующего выбора не требуется».

Демонстрация исследователями протокола слепой проверки вскоре может открыть новые возможности для реализации облачных услуг квантовых вычислений. Поскольку квантовые компьютеры представляют собой передовые технологии, которые сложно развернуть в больших масштабах, их надежная удаленная работа, скорее всего, будет наиболее жизнеспособным путем, обеспечивающим их широкое использование в краткосрочной перспективе.

«Наш эксперимент показывает, как клиенты квантовых компьютеров могут получить конфиденциальный и безопасный доступ к вычислительной мощности удаленных квантовых компьютеров», — сказал Дрмота. «Используя квантовую связь из дома, с помощью простого измерительного устройства, все обрабатываемые данные и сам алгоритм могут быть защищены законами квантовой механики. Кроме того, мы показываем, как клиент может проверить, что результаты, полученные с сервера верны».

Недавняя работа Дрмоты и его сотрудников является значительным вкладом в быстро развивающуюся область квантовых вычислений. Другие исследовательские группы вскоре смогут черпать вдохновение из предложенного ими подхода, что может привести к дальнейшим предложениям и разработкам.

«С технической точки зрения взаимодействие трех разных кубитов — фотона, иона кальция и иона стронция — является сложной задачей и сопряжено со значительной экспериментальной сложностью», — говорят исследователи.

«Нам удалось объединить все необходимые инструменты для реализации слепых квантовых вычислений в реалистичной обстановке, где все оборудование клиента контролируется независимо от сервера, а вычисления выполняются с прямой передачей классической информации в реальном времени , в то время как квантовая информация хранится на кубит памяти».

В своих следующих исследованиях Дрмота и его коллеги планируют продолжить развитие своей системы. Например, они могли бы расширить свой подход для выполнения более крупных вычислений, используя ранее предложенные системы, которые можно масштабировать (т. е. увеличить количество кубитов памяти и точность локальных операций).

«Расстояние между сервером и клиентом также можно расширить до сетей городского масштаба, используя проверенные методы преобразования фотонов в телекоммуникационные длины волн», — добавил Аранеда.

«Более того, количество клиентов также можно увеличить за счет использования оптических переключателей, направляющих фотоны, излучаемые квантовым процессором, различным клиентам. В сотрудничестве с профессором Эльхамом Кашефи и Национальным центром квантовых вычислений Великобритании мы собираемся изучить будущие возможности. для проверки квантовых вычислений на различных экспериментальных платформах, допускающих самые современные уровни шума».