I computer quantistici, sistemi che elaborano e archiviano informazioni sfruttando i fenomeni della meccanica quantistica, potrebbero alla fine superare i computer classici in numerosi compiti. Tra le altre cose, questi computer potrebbero consentire ai ricercatori di affrontare complessi problemi di ottimizzazione, accelerare la scoperta di farmaci e proteggere meglio gli utenti dalle minacce alla sicurezza informatica.
Nonostante i loro vantaggi, la maggior parte dei computer quantistici esistenti è ancora accessibile solo a un numero limitato di persone in tutto il mondo. Gli informatici hanno quindi cercato di sviluppare approcci che potrebbero facilitarne l'uso diffuso nel breve termine, ad esempio utilizzando sistemi basati su cloud che consentono l'accesso remoto ai server quantistici.
Se da un lato gli approcci basati sul cloud potrebbero ampliare l’accesso delle persone all’informatica quantistica, dall’altro comportano anche notevoli rischi per la privacy e la sicurezza, poiché si potrebbe accedere in modo dannoso alle informazioni e alle attività degli utenti. Negli ultimi anni, alcuni studi hanno introdotto approcci che potrebbero superare queste limitazioni, consentendo ai server di nascondere gli algoritmi di un client, nonché le informazioni fornite o prodotte da un sistema di calcolo quantistico basato su cloud.
I ricercatori dell’Università di Oxford hanno recentemente deciso di testare sperimentalmente un approccio proposto per realizzare un calcolo quantistico cieco verificabile. Il loro articolo, pubblicato in Physical Review Letters , conferma la promessa di questo approccio per migliorare la sicurezza delle piattaforme di calcolo quantistico basate su cloud.
"All'Università di Oxford, stiamo costruendo una delle reti quantistiche più sofisticate al mondo", ha detto a Phys.org Gabriel Araneda, coautore dell'articolo.
"Siamo stati in grado di dimostrare diverse pietre miliari nel campo delle reti quantistiche, inclusa la prima realizzazione completa di una distribuzione di chiavi quantistiche indipendente dal dispositivo tra sistemi remoti e la prima rete quantistica di orologi atomici entangled in remoto."
Nel loro recente articolo, Araneda, Peter Drmota e i loro collaboratori si sono concentrati specificamente sul compito di delegare in modo sicuro i calcoli quantistici eseguiti da un cliente a un server quantistico non affidabile tramite un collegamento di rete.
"Il calcolo quantistico cieco è stato proposto come soluzione per proteggere il cloud computing, in cui i clienti possono delegare i calcoli a un server quantistico senza rivelare l'algoritmo o i dati elaborati", ha affermato Drmota. "Inoltre, il cliente può verificare se il risultato ottenuto dal server è corretto:una sfida significativa se un problema non può essere affrontato in modo efficiente con nessun altro mezzo."
Fino a pochi anni fa, le proposte teoriche per realizzare un calcolo quantistico sicuro basato sul cloud non tenevano conto delle imperfezioni dei dispositivi. Poiché è noto che i computer quantistici presentano numerose imperfezioni intrinseche, queste proposte alla fine si sono rivelate inefficaci e vulnerabili al rumore.
Un articolo di Dominik Leichtle e dei suoi colleghi dell'Università della Sorbona e dell'Università di Edimburgo ha introdotto un efficiente protocollo di verifica cieca per delegare i calcoli quantistici. Come parte del loro studio, Drmota e i suoi colleghi dell'Università di Oxford hanno deciso di applicare questo protocollo in un contesto sperimentale, utilizzando un sistema di ioni intrappolati collegati a un sistema di rilevamento fotonico accessibile al cliente tramite un collegamento in fibra quantistica.
"Il protocollo per il calcolo quantistico cieco è difficile da implementare perché ogni passaggio comporta una correzione da applicare ai passaggi successivi", ha spiegato David Nadlinger, coautore dell'articolo. "È quindi interattivo e richiede l'avanzamento delle informazioni in tempo reale per mantenere il calcolo in linea con l'algoritmo previsto."
Le precedenti realizzazioni del protocollo di calcolo quantistico cieco utilizzavano fotoni sia per eseguire calcoli che per comunicare con i clienti. Queste implementazioni puramente fotoniche non erano in grado di eseguire porte entanglement in modo deterministico e mancavano di informazioni feedforward in tempo reale.
Ciò significa che hanno richiesto la post-selezione dei risultati, il che riduce notevolmente la loro efficacia per le applicazioni nel mondo reale. Drmota e i suoi colleghi hanno realizzato il protocollo di calcolo quantistico cieco in modo diverso e sono stati in grado di superare questi problemi.
"Utilizziamo un robusto qubit di memoria nel nostro server, che può essere intrecciato in modo deterministico con un secondo qubit e ci consente di archiviare informazioni quantistiche mentre i dispositivi eseguono operazioni di feedforward in tempo reale", ha affermato Drmota.
"L'obiettivo principale di questo esperimento era eliminare le limitazioni di efficienza e sicurezza delle implementazioni precedenti. Raggiungiamo il successo del protocollo deterministico utilizzando hardware veloce e adattivo sul client e un qubit di memoria sul server che può essere intrecciato in modo deterministico con il qubit di rete. "
Per eseguire il loro esperimento, i ricercatori hanno utilizzato un processore quantistico a ioni intrappolati collegato in rete al dispositivo di un cliente tramite un collegamento quantistico in fibra ottica. Il sistema sviluppato si basa essenzialmente su un qubit di rete intrecciato con singoli fotoni che vengono inviati ai client tramite una fibra ottica, nonché su un qubit di memoria che memorizza lo stato corrente di un calcolo.
"Il cliente utilizza un dispositivo molto più semplice:un rilevatore di fotoni, costruito appositamente per misurare la polarizzazione dei fotoni in arrivo su una base commutabile arbitraria", ha affermato Araneda.
"La misurazione del fotone fa collassare la funzione d'onda dello stato entangled tra il fotone e il qubit di rete, 'guidando' così lo stato del qubit di rete in uno stato noto esclusivamente al client."
Il processo attraverso il quale lo stato del qubit quantistico viene "guidato" in uno stato noto solo ai client viene definito "preparazione dello stato remoto". Questo processo è ciò che alla fine porta il server a essere "cieco" rispetto allo stato dei propri qubit.
"La disponibilità di un qubit di memoria nel server con tempi di coerenza superiori a 10 secondi consente al client di reagire in tempo reale ai risultati intermedi ottenuti dal server aggiustando la base dell'analizzatore di polarizzazione a metà calcolo," hanno spiegato i ricercatori.
"In combinazione con la capacità di intrecciare deterministicamente i qubit nel server, ogni tentativo di calcolo ha successo in modo deterministico e non è richiesta alcuna post-selezione."
La dimostrazione da parte dei ricercatori di un protocollo di verifica cieca potrebbe presto aprire nuove possibilità per l'implementazione di servizi di calcolo quantistico basati su cloud. Poiché i computer quantistici sono tecnologie avanzate difficili da implementare su larga scala, il loro funzionamento remoto affidabile sarà molto probabilmente la strada più praticabile per consentirne un uso diffuso a breve termine.
"Il nostro esperimento mostra come i clienti del calcolo quantistico possono accedere alla potenza di elaborazione dei computer quantistici remoti in modo privato e sicuro", ha affermato Drmota. "Utilizzando un collegamento quantistico da casa, mediante un semplice dispositivo di misura, tutti i dati elaborati e l'algoritmo stesso possono essere protetti dalle leggi della meccanica quantistica. Inoltre, mostriamo come il cliente può verificare che i risultati ottenuti dal server sono corretti."
Il recente lavoro di Drmota e dei suoi collaboratori rappresenta un contributo significativo al campo in rapido progresso dell’informatica quantistica. Altri gruppi di ricerca potrebbero presto trarre ispirazione dall'approccio proposto, che potrebbe portare a ulteriori proposte e sviluppi.
"Dal punto di vista tecnico, interfacciare tre diversi qubit, un fotone, uno ione calcio e uno ione stronzio, è impegnativo e comporta una notevole complessità sperimentale", hanno affermato i ricercatori.
"Siamo riusciti a combinare tutti gli strumenti necessari per implementare il calcolo quantistico cieco in un ambiente realistico, dove tutto l'hardware del cliente è controllato indipendentemente dal server e i calcoli vengono eseguiti con feedforward in tempo reale delle informazioni classiche mentre le informazioni quantistiche sono archiviate su un qubit di memoria."
Nei prossimi studi, Drmota e i suoi collaboratori intendono continuare a sviluppare il loro sistema. Ad esempio, potrebbero estendere il loro approccio per eseguire calcoli più grandi, utilizzando sistemi precedentemente proposti che possono essere migliorati (ad esempio, aumentando il numero di qubit di memoria e la fedeltà delle operazioni locali).
"La distanza tra il server e il client potrebbe anche essere estesa alle reti su scala cittadina utilizzando tecniche collaudate per convertire i fotoni in lunghezze d'onda delle telecomunicazioni", ha aggiunto Araneda.
"Inoltre, il numero di client può anche essere aumentato utilizzando interruttori ottici, instradando i fotoni emessi dal processore quantistico a diversi client. In collaborazione con il Prof. Elham Kashefi e il National Quantum Computing Centre del Regno Unito, esploreremo strade future per verificare calcoli quantistici su diverse piattaforme sperimentali che ammettono livelli di rumore all'avanguardia."
Ulteriori informazioni: P. Drmota et al, Calcolo quantistico cieco verificabile con ioni intrappolati e fotoni singoli, lettere di revisione fisica (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.150604
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