Слепые квантовые вычисления: защита данных в облаке с помощью квантовой механики

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

Квантовые вычисления — это магическое словосочетание, будоражащее умы ученых и фантастов. Представьте компьютеры, способные решать задачи, которые классическим машинам кажутся непосильными, как гора Эверест для улитки. Это открывает головокружительные перспективы: разработка новых лекарств, создание не взламываемых шифров, оптимизация сложных систем… Но есть одно «но»: квантовые компьютеры пока что остаются экзотикой, доступной лишь избранным.


Автор: Designer

И тут на сцену выходит облако — тот самый виртуальный мир, где хранятся наши фотографии, музыка и фильмы. Ученые задумались: а что, если сделать квантовые вычисления доступными через облачные сервисы? Это как дать каждому желающему прокатиться на космическом корабле, не выходя из дома.

Однако, как и в любом путешествии, здесь есть свои риски. Облачные технологии, при всей своей удобности, вызывают вопросы безопасности и конфиденциальности. Ведь наши данные, словно драгоценные камни, оказываются в чужих руках. А что, если кто-то захочет ими завладеть?

Именно здесь на помощь приходят «слепые квантовые вычисления» — технология, призванная сделать облачные сервисы безопасными и конфиденциальными. Представьте, что вы можете отправить свой запрос на квантовый сервер, не раскрывая ни алгоритма, ни данных. Сервер выполнит вычисления, а вы получите результат, будучи уверенными, что никто не подглядывал за процессом.

Верифицируемые слепые квантовые вычисления в модели, основанной на измерениях. Вычисление выражается в виде последовательности измерений на кирпичной кладке (двумерный граф с вершинами, представляющими виртуальные кубиты, и ребрами, указывающими cz вентили). Сервер удерживает m кубиты физической памяти (оранжевые атомы) и один кубит физической сети (фиолетовый атом). Сервер может детерминированно связывать эти кубиты друг с другом. Сетевой кубит также может быть запутан фотоном; Измеряя этот фотон, клиент может удаленно управлять сетевым кубитом на сервере, не уведомляя сервер о его состоянии. Это позволяет клиенту скрывать вычисления (входы, выходы и схему) от сервера. Более того, клиент может убедиться, что вычисления не были изменены (случайным) чередованием тестовых раундов, которые дают классически моделируемые результаты и не могут быть отличимы от фактических вычислений сервером.
Автор: P. Drmota, D. P. Nadlinger, D. Main, B. C. Nichol, E. M. Ainley, D. Leichtle, A. Mantri, E. Kashefi, R. Srinivas, G. Araneda, C. J. Ballance, and D. M. Lucas Phys. Rev. Lett. 132, 150604 — Published 10 April 2024DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.150604(CC-BY 4.0) Источник: journals.aps.org

Как же это работает? Исследователи из Оксфордского университета провели эксперимент, который можно сравнить с созданием квантового сейфа. Они использовали систему захваченных ионов — крошечных частиц, способных хранить квантовую информацию. Эти ионы были связаны с детектором фотонов — частиц света, несущих информацию от клиента.

Клиент отправляет фотоны на сервер, где они взаимодействуют с ионами. В результате ионы переходят в определенное квантовое состояние, известное только клиенту. Сервер выполняет вычисления, основываясь на этом состоянии, но не имея доступа к исходной информации.


Клиент выполняет дистанционную подготовку состояния (RSP) с помощью анализатора поляризации с быстрым переключением. а) Управляющие напряжения ( U a, U b ) двух МНВ, разделенных λ / 4 волновая пластина позволяет клиенту произвольно поворачивать базис измерения, заданный PBS. (b) Лазерное излучение используется для реконструкции этой основы для различных U a, U b. Поляризационные эллипсы показаны для базисных состояний, объявленных детектором p, где цвет обозначает их фазу. (c) Найти U a, U b которые максимизируют точность F к каждому целевому состоянию, необходимому во время протокола, мы выполняем томографию на сетевом кубите после RSP. Усредненные результаты 36 калибровок за 2 недели показаны в представлении сферы Блоха сетевого кубита. Значения указывают на то, что F, со стандартными отклонениями, полученными при начальной загрузке.
Автор: P. Drmota, D. P. Nadlinger, D. Main, B. C. Nichol, E. M. Ainley, D. Leichtle, A. Mantri, E. Kashefi, R. Srinivas, G. Araneda, C. J. Ballance, and D. M. Lucas Phys. Rev. Lett. 132, 150604 — Published 10 April 2024DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.150604 (CC-BY 4.0) Источник: journals.aps.org

Это похоже на игру в «горячо-холодно», где сервер пытается угадать правильный ответ, опираясь на подсказки клиента. Клиент, в свою очередь, может проверить правильность результата, используя законы квантовой механики.

Данное исследование — важный шаг на пути к созданию безопасных и конфиденциальных облачных квантовых вычислений. В будущем эта технология может стать ключом к решению сложных научных задач, разработке новых материалов и лекарств, а также обеспечению безопасности в киберпространстве.

Так что, возможно, совсем скоро мы сможем заглянуть в квантовое облако и увидеть будущее, которое раньше казалось фантастикой. И это будущее будет безопасным и конфиденциальным.