A demonstração experimental de um protocolo de computação quântica cega verificável
Fotografia do servidor processador quântico de íons aprisionados em rede fotônica na Universidade de Oxford, Créditos:David Nadlinger. Os computadores quânticos, sistemas que processam e armazenam informações aproveitando fenômenos da mecânica quântica, poderiam eventualmente superar os computadores clássicos em inúmeras tarefas. Entre outras coisas, estes computadores poderão permitir aos investigadores resolver problemas complexos de otimização, acelerar a descoberta de medicamentos e proteger melhor os utilizadores contra ameaças à segurança cibernética.
Apesar das suas vantagens, a maioria dos computadores quânticos existentes ainda são acessíveis apenas a um número limitado de pessoas em todo o mundo. Os cientistas da computação têm, portanto, tentado desenvolver abordagens que possam facilitar a sua utilização generalizada no curto prazo, por exemplo, utilizando sistemas baseados em nuvem que permitem o acesso remoto a servidores quânticos.
Embora as abordagens baseadas na nuvem possam alargar o acesso das pessoas à computação quântica, também representam riscos significativos para a privacidade e a segurança, uma vez que as informações e atividades dos utilizadores podem ser acedidas de forma maliciosa. Nos últimos anos, alguns estudos introduziram abordagens que poderiam superar essas limitações, permitindo que os servidores ocultassem os algoritmos de um cliente, bem como as informações alimentadas ou produzidas por um sistema de computação quântica baseado em nuvem.
Pesquisadores da Universidade de Oxford decidiram recentemente testar experimentalmente uma abordagem proposta para realizar computação quântica cega verificável. O artigo deles, publicado em Physical Review Letters , valida a promessa desta abordagem para aumentar a segurança das plataformas de computação quântica baseadas em nuvem.
“Na Universidade de Oxford, temos construído uma das redes quânticas mais sofisticadas do mundo”, disse Gabriel Araneda, coautor do artigo, ao Phys.org.
"Conseguimos demonstrar vários marcos no campo das redes quânticas, incluindo a primeira realização completa de uma distribuição de chaves quânticas independente de dispositivo entre sistemas remotos e a primeira rede quântica de relógios atômicos remotamente emaranhados."
Em seu artigo recente, Araneda, Peter Drmota e seus colaboradores focaram especificamente na tarefa de delegar com segurança computações quânticas realizadas por um cliente a um servidor quântico não confiável por meio de um link de rede.
“A computação quântica cega foi proposta como uma solução para proteger a computação em nuvem, onde os clientes podem delegar cálculos a um servidor quântico sem revelar o algoritmo ou os dados processados”, disse Drmota. "Além disso, o cliente pode verificar se o resultado obtido do servidor está correto – um desafio significativo se um problema não puder ser resolvido de forma eficiente por qualquer outro meio."
Até alguns anos atrás, as propostas teóricas para a realização de uma computação quântica segura baseada em nuvem não levavam em consideração as imperfeições dos dispositivos. Como se sabe que os computadores quânticos têm inúmeras imperfeições inerentes, estas propostas acabaram por se revelar ineficazes e vulneráveis ao ruído.
Representação artística de computação quântica cega. Créditos:Helene Hainzer.
Um artigo de Dominik Leichtle e seus colegas da Universidade Sorbonne e da Universidade de Edimburgo introduziu um protocolo de verificação cega eficiente para delegar cálculos quânticos. Como parte de seu estudo, Drmota e seus colegas da Universidade de Oxford decidiram aplicar este protocolo em um ambiente experimental, usando um sistema de íons presos conectado a um sistema de detecção fotônica acessível ao cliente por meio de um link de fibra quântica.
“O protocolo para computação quântica cega é difícil de implementar porque cada etapa incorre em uma correção a ser aplicada às etapas subsequentes”, explicou David Nadlinger, coautor do artigo. "É, portanto, interativo e requer avanço de informações em tempo real para manter a computação alinhada com o algoritmo pretendido."
Realizações anteriores do protocolo de computação quântica cega utilizavam fótons tanto para realizar cálculos quanto para se comunicar com clientes. Essas implementações puramente fotônicas foram incapazes de realizar portas de emaranhamento de forma determinística e careciam de informações de feedforward em tempo real.
Isto significa que eles exigiram a pós-seleção dos resultados, o que reduz enormemente a sua eficácia para aplicações no mundo real. Drmota e seus colegas perceberam o protocolo de computação quântica cega de forma diferente e foram capazes de superar esses problemas.
“Empregamos um qubit de memória robusto em nosso servidor, que pode ser emaranhado deterministicamente com um segundo qubit e nos permite armazenar informações quânticas enquanto os dispositivos realizam operações de feedforward em tempo real”, disse Drmota.
"O objetivo principal deste experimento foi eliminar as limitações de eficiência e segurança de implementações anteriores. Alcançamos o sucesso do protocolo determinístico usando hardware rápido e adaptável no cliente e um qubit de memória no servidor que pode ser emaranhado deterministicamente com o qubit da rede. "
Para realizar seu experimento, os pesquisadores usaram um processador quântico de íons aprisionados que foi conectado em rede ao dispositivo de um cliente por meio de um link quântico de fibra óptica. O sistema desenvolvido depende essencialmente de um qubit de rede emaranhado com fótons únicos que são enviados aos clientes por meio de uma fibra óptica, bem como de um qubit de memória que armazena o estado atual de uma computação.
“O cliente opera um dispositivo muito mais simples:um detector de fótons, construído especificamente para medir a polarização dos fótons recebidos em uma base comutável arbitrariamente”, disse Araneda.
“A medição do fóton colapsa a função de onda do estado emaranhado entre o fóton e o qubit da rede, ‘direcionando’ assim o estado do qubit da rede para um estado conhecido exclusivamente pelo cliente.”
O processo através do qual o estado do qubit quântico é “dirigido” para um estado conhecido apenas pelos clientes é conhecido como “preparação de estado remoto”. Esse processo é o que faz com que o servidor fique “cego” para o estado de seus próprios qubits.
Fotografia da armadilha de íons dentro da câmara de vácuo como parte do servidor quântico", créditos:David Nadlinger.
“A disponibilidade de um qubit de memória no servidor com tempos de coerência superiores a 10 segundos permite ao cliente reagir em tempo real aos resultados intermediários obtidos do servidor, ajustando a base do analisador de polarização no meio da computação”, explicaram os pesquisadores.
"Combinado com a capacidade de emaranhar deterministicamente os qubits no servidor, cada tentativa de cálculo é bem-sucedida de forma determinística e nenhuma pós-seleção é necessária."
A demonstração dos pesquisadores de um protocolo de verificação cega poderá em breve abrir novas possibilidades para a implementação de serviços de computação quântica baseados em nuvem. Como os computadores quânticos são tecnologias avançadas difíceis de implementar em grande escala, a sua operação remota fiável será provavelmente a via mais viável para permitir a sua utilização generalizada a curto prazo.
“Nosso experimento mostra como os clientes de computação quântica podem acessar o poder de processamento de computadores quânticos remotos de forma privada e segura”, disse Drmota. “Usando um link quântico de casa, por meio de um simples dispositivo de medição, todos os dados processados e o próprio algoritmo podem ser protegidos pelas leis da mecânica quântica. Além disso, mostramos como o cliente pode verificar se os resultados obtidos no servidor estão corretas."
O trabalho recente de Drmota e seus colaboradores é uma contribuição significativa para o rápido avanço do campo da computação quântica. Outras equipas de investigação poderão em breve inspirar-se na abordagem proposta, o que poderá levar a novas propostas e desenvolvimentos.
“Do ponto de vista técnico, a interface de três qubits diferentes, um fóton, um íon de cálcio e um íon de estrôncio, é um desafio e apresenta uma complexidade experimental significativa”, disseram os pesquisadores.
"Conseguimos combinar todas as ferramentas necessárias para implementar a computação quântica cega em um ambiente realista, onde todo o hardware do cliente é controlado independentemente do servidor e os cálculos são executados com feedforward em tempo real de informações clássicas enquanto as informações quânticas são armazenadas em um qubit de memória."
Em seus próximos estudos, Drmota e seus colaboradores planejam continuar a desenvolver seu sistema. Por exemplo, eles poderiam estender sua abordagem para realizar cálculos maiores, usando sistemas propostos anteriormente que podem ser ampliados (ou seja, aumentando o número de qubits de memória e a fidelidade das operações locais).
“A distância entre o servidor e o cliente também poderia ser estendida para redes em escala urbana, usando técnicas comprovadas para converter os fótons em comprimentos de onda de telecomunicações”, acrescentou Araneda.
"Além disso, o número de clientes também pode ser aumentado usando switches ópticos, roteando os fótons emitidos pelo processador quântico para diferentes clientes. Em colaboração com o Prof. Elham Kashefi e o Centro Nacional de Computação Quântica do Reino Unido, vamos explorar caminhos futuros para verificar cálculos quânticos em diferentes plataformas experimentais que admitem níveis de ruído de última geração."
