Komputery kwantowe mają ogromny potencjał rozwiązywania złożonych problemów, które wykraczają poza możliwości klasycznych komputerów. Pomyśl o opracowywaniu leków, materiałoznawstwie i modelowaniu finansowym – wszystkie obszary czekają na zakłócenia dzięki wyjątkowej mocy obliczeniowej systemów kwantowych. Jednak te delikatne maszyny są podatne na błędy spowodowane hałasem otoczenia i niedoskonałościami sprzętu. Stanowi to dla nas poważny problem: jak możemy ufać ich wynikom?
Z pomocą przychodzą protokoły weryfikacji kryptograficznej – zabezpieczenia oprogramowania, które mają zapewnić, że komputery kwantowe będą wykonywać obliczenia dokładnie i zapobiec próbom fałszowania ich wyników. Protokoły te mają kluczowe znaczenie dla budowania zaufania do obliczeń kwantowych, zwłaszcza gdy systemy stają się większe i bardziej złożone. Weryfikacja obliczeń na coraz mocniejszych maszynach stanie się niemożliwa przy zastosowaniu tradycyjnych metod porównań z klasycznymi symulacjami.
Naukowcy z Sorbony, Uniwersytetu w Edynburgu i Quantinuum dokonali przełomu: opracowali nowy protokół, który pozwala komputerom kwantowym w zasadzie samodzielnie sprawdzić swoje wyniki. To innowacyjne podejście, opisane w artykule opublikowanym w czasopiśmie Physical Review Letters, zostało pomyślnie przetestowane na procesorze kwantowym Quantinuum H1-1, co stanowi znaczący krok naprzód w zastosowaniach praktycznych.
Jak to działa: kryptografia dla pewności siebie
Tradycyjnie protokoły weryfikacji opierały się na porównywaniu obliczeń pomiędzy poszczególnymi procesorami kwantowymi lub na wykorzystaniu klasycznych komputerów do weryfikacji wyników. Jednak ten nowy protokół zmienia zasady gry, integrując zasady kryptograficzne bezpośrednio w jednym chipie kwantowym. Wyobraź sobie wbudowany „wykrywacz kłamstw” dla komputerów kwantowych!
Sekret polega na wpleceniu „testów” w sam materiał obliczeń. Losowe obliczenia obejmują kontrole, które pokazują, czy sprzęt działa poprawnie. Analizując wyniki tych kontroli, system może statystycznie określić, czy jego obliczenia są wiarygodne. Wyobraź sobie kontrolę jakości wbudowaną bezpośrednio w linię produkcyjną.
„Wdrożyliśmy w pełni sprawdzone obliczenia kwantowe na prawdziwym sprzęcie, korzystając z najnowocześniejszej technologii” – wyjaśnia Sika Gustani, główna autorka badania. „Protokół działa już przy bardzo ogólnych założeniach dotyczących szumu, które obejmują większość typów błędów w obliczeniach kwantowych, i można go efektywnie symulować”.
Poza teorią: pierwszy krok na prawdziwym sprzęcie
To nie jest tylko gra teoretyczna. Zespół pomyślnie przetestował największy jak dotąd obliczeniowy pomiar kwantowy, który obejmował 52 splecione kubity (elementarne jednostki informacji kwantowej). To osiągnięcie pokazuje, że weryfikacja kryptograficzna może współpracować z istniejącym sprzętem i skalować, aby obsłużyć większe obliczenia.
Przyszłość: zaufane obliczenia kwantowe
Chociaż obliczenia kwantowe są wciąż w powijakach, odkrycie to stanowi ważny krok w kierunku budowania zaufania do tej technologii. W miarę jak komputery kwantowe stają się coraz potężniejsze i coraz powszechniejsze, możliwość samodzielnej weryfikacji wyników będzie miała kluczowe znaczenie dla zapewnienia dokładności i bezpieczeństwa. Przyszłe badania będą skupiać się na ulepszeniu protokołu, tak aby zawierał bardziej realistyczne modele szumu i zintegrowaniu go z architekturami odpornymi na błędy, torując drogę do naprawdę niezawodnych i bezpiecznych obliczeń kwantowych.
Ta weryfikacja na chipie otwiera ekscytujące możliwości w różnych dziedzinach, w tym w samej kryptografii. Wyobraź sobie ultrabezpieczną komunikację zbudowaną na nieodłącznych właściwościach mechaniki kwantowej, chronioną przez sam system pewności siebie w komputerach kwantowych. Droga do praktycznych i niezawodnych obliczeń kwantowych trwa nadal, napędzana takimi przełomowymi osiągnięciami.
