Институт Пауля Шеррера в Швейцарии успешно продемонстрировал слепые квантовые вычисления на сверхпроводящем процессоре, обеспечив безопасное делегирование удаленных задач

Репортаж от Wedoany，Исследовательская группа из швейцарского Института Пауля Шеррера (Paul Scherrer Institute, PSI) опубликовала результаты эксперимента по проверке концепции, в ходе которого впервые был успешно выполнен протокол слепых квантовых вычислений на основе измерений (Blind Quantum Computation, BQC) на модульном сверхпроводящем квантовом процессоре, состоящем из двух модулей, соединенных методом перевернутого чипа. В эксперименте был запущен трехкубитный алгоритм Дойча-Йожи (Deutsch-Jozsa) и количественно оценена утечка информации на стороне сервера, что позволило определить ключевые элементы для достижения теоретико-информационной безопасности квантовых вычислений в архитектуре сверхпроводящих схем.

Ключевая инновация этого эксперимента заключается в глубокой интеграции физической архитектуры квантовых вычислений с механизмами защиты конфиденциальности. В отличие от предыдущих подходов, исследовательская группа использовала два сверхпроводящих модуля, соединенных методом перевернутого чипа: один выполнял роль «сервера», а другой — «клиента». Сервер отвечал за генерацию двумерного кластерного состояния в качестве универсального вычислительного ресурса и его передачу клиенту. После этого клиент, выполняя лишь адаптивные однокубитные повороты и измерения, мог реализовать универсальный набор квантовых вентилей, не раскрывая ни содержания задачи, ни результатов вычислений. Этот процесс полностью подчиняется принципу однонаправленного потока информации, то есть только клиент осведомлен обо всех деталях вычислений, а сервер ничего не знает о содержании вычислений.

Чтобы проверить реальный эффект конфиденциальности протокола, команда запустила на системе трехкубитный алгоритм Дойча-Йожи, который часто используется в качестве инструмента для ранней проверки преимущества квантовых вычислений. Ключевым шагом исследования стала точная характеризация квантового состояния сервера после каждого поворота однокубитного вентиля в измерительном базисе процессора. Результаты анализа показали, что объем информации, связанной с вычислениями, полученной на стороне сервера, пренебрежимо мал, что полностью соответствует свойству «слепоты» данного протокола. Эта строгая количественная проверка подтвердила, что клиент действительно может удаленно использовать квантовые ресурсы сервера для выполнения вычислений, не раскрывая входные данные, выходные данные и сам алгоритм.

С технической точки зрения, этот модульный процессор обеспечивает аппаратную основу для модели «клиент-сервер» в распределенных квантовых сетях. Оба модуля содержат по три сверхпроводящих кубита типа transmon с перестраиваемым магнитным потоком и интегрированы с помощью технологии соединения перевернутых чипов с индиевыми столбиками на общей несущей плате, на которой размещены схемы управления и считывания. Такая архитектура не только поддерживает связь между кубитами внутри модуля и между модулями для реализации двухкубитных вентилей, но и позволяет клиентскому модулю с помощью системы управления с прямой связью в реальном времени динамически корректировать последующие вычислительные шаги в зависимости от результатов измерений, что является ключевой инженерной основой для реализации детерминированных слепых квантовых вычислений.

Значимость этого достижения заключается в том, что оно предлагает реальный путь к решению наиболее острых проблем «конфиденциальности данных» и «секретности алгоритмов», возникающих при распространении облачных квантовых вычислений. Современные облачные квантовые процессоры позволяют пользователям удаленно отправлять задачи, но поставщик услуг может полностью знать квантовую схему пользователя и результаты вычислений, что неприемлемо для коммерческой тайны или приложений в сфере национальной безопасности. Протокол BQC как раз обеспечивает безопасность на уровне теории информации, он не зависит от каких-либо предположений о вычислительной сложности и гарантирует абсолютную конфиденциальность клиента даже в идеализированном случае противостояния злонамеренному серверу с неограниченными вычислительными мощностями.

Это исследование было выполнено совместными усилиями ученых из Центра квантовых вычислений ETHZ-PSI, созданного Швейцарской высшей технической школой Цюриха (ETH Zurich) и Институтом Пауля Шеррера. Центр, опирающийся на крупную научно-исследовательскую инфраструктуру PSI и лабораторию квантовых устройств ETHZ, занимается созданием масштабируемых отказоустойчивых квантовых компьютеров. В аннотации к статье команда четко заявляет, что эта демонстрация проверки концепции устанавливает ключевые элементы слепых квантовых вычислений в архитектуре сверхпроводящих схем, и отмечает, что с учетом недавнего практического повышения точности квантовых вентилей реализация протоколов слепых квантовых вычислений среднего масштаба становится практически осуществимой.

Данный материал скомпилирован платформой Wedoany. При цитировании материалов, созданных с помощью искусственного интеллекта (ИИ), необходимо обязательно указывать источник — «Wedoany». В случае выявления нарушения прав или иных проблем просим своевременно информировать нас. Сайт оперативно внесёт изменения или удалит материал.Электронная почта: news@wedoany.com