Gewährleistung von Sicherheit und Datenschutz: Neuer Quantendurchbruch könnte Millionen von Menschen zugutekommen

Der Prozess ermöglicht es einem Remote-Benutzer (rechts), auf einen Quantencomputer in der Cloud (links) mit vollständiger Sicherheit zuzugreifen. Credit: Helene Hainzer, Oxford University Physics.

Ein jüngster Durchbruch, der Sicherheit und Datenschutz von Physikern der Universität Oxford garantiert, könnte es Millionen von Menschen und Unternehmen ermöglichen, auf die Möglichkeiten der Quantencomputer der nächsten Generation zuzugreifen. Dieser Fortschritt verspricht, das transformative Potenzial der Cloud-basierten Quantencomputer freizusetzen und wird in einer neuen Studie ausführlich erläutert, die in der einflussreichen US-amerikanischen Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht wurde.

Professor David Lucas, Co-Leiter des Forschungsteams für Physik an der Universität Oxford und leitender Wissenschaftler am UK Quantum Computing and Simulation Hub. Credit: Martin Small

Quantencomputing entwickelt sich rasch und ebnet den Weg für neue Anwendungen, die Dienstleistungen in vielen Bereichen wie Gesundheitswesen und Finanzdienstleistungen verändern könnten. Es funktioniert auf eine grundlegend andere Weise als herkömmliches Computing und ist potenziell weitaus leistungsfähiger. Derzeit erfordert es jedoch kontrollierte Bedingungen, um stabil zu bleiben, und es bestehen Bedenken hinsichtlich der Datenauthentizität und der Wirksamkeit aktueller Sicherheits- und Verschlüsselungssysteme.

Mehrere führende Anbieter von Cloud-basierten Diensten, wie Google, Amazon und IBM, bieten bereits separat einige Elemente des Quantencomputing an. Der Schutz der Privatsphäre und Sicherheit von Kundendaten ist eine wesentliche Voraussetzung für die Skalierung und Erweiterung seiner Nutzung und für die Entwicklung neuer Anwendungen, während die Technologie voranschreitet. Die neue Studie von Forschern an der Oxford University Physics befasst sich mit diesen Herausforderungen.

„Wir haben zum ersten Mal gezeigt, dass Quantencomputing in der Cloud auf eine skalierbare, praktische Weise zugänglich sein kann, die den Menschen auch eine vollständige Sicherheit und Datenschutz bietet. Darüber hinaus können sie die Authentizität der Daten überprüfen“, sagte Professor David Lucas, der das Forschungsteam für Physik an der Universität Oxford leitet und leitender Wissenschaftler am UK Quantum Computing und Simulation Hub ist, der von der Oxford University Physics geleitet wird.

Experimente zum Quantencomputing in der Beecroft-Einrichtung, Oxford University Physics. Credit: David Nadlinger, Oxford University Physics.

In der neuen Studie nutzen die Forscher einen als „blindes Quantencomputing“ bezeichneten Ansatz, der zwei völlig separate Quantencomputing-Einheiten – möglicherweise eine Einzelperson zu Hause oder im Büro, die auf einen Cloud-Server zugreift – auf eine völlig sichere Weise verbindet. Wichtig ist, dass ihre neuen Methoden auf große Quantenberechnungen skaliert werden könnten.

Peter Drmota, Autor der neuen Studie, der die Experimente zum blinden Quantencomputing an der Oxford University Physics leitete. Credit: Martin Small.

„Mit blindem Quantencomputing können Kunden auf Remote-Quantencomputer zugreifen, um vertrauliche Daten mit geheimen Algorithmen zu verarbeiten und sogar zu überprüfen, ob die Ergebnisse korrekt sind, ohne nützliche Informationen preiszugeben. Die Realisierung dieses Konzepts ist ein großer Schritt nach vorne, sowohl im Quantencomputing als auch im Schutz unserer Informationen online", sagte der leitende Wissenschaftler Dr. Peter Drmota von der Oxford University Physics.

Die Forscher haben ein System erstellt, das aus einer Glasfasernetzwerkverbindung zwischen einem Quantencomputing-Server und einem einfachen Gerät besteht, das Photonen oder Lichtteilchen an einem unabhängigen Computer erfasst, der auf seine Cloud-Dienste zugreift. Dies ermöglicht sogenanntes blindes Quantencomputing über ein Netzwerk. Jede Berechnung erfordert eine Korrektur, die auf alle folgenden Berechnungen angewendet werden muss und benötigt Echtzeitinformationen, um den Algorithmus einzuhalten. Die Forscher verwendeten eine einzigartige Kombination aus Quantenspeicher und Photonen, um dies zu erreichen.

"Nie zuvor in der Geschichte wurde über den Datenschutz und den Schutz des Quellcodes intensiver diskutiert als in der heutigen Ära von Cloud-Computing und künstlicher Intelligenz", sagte Professor David Lucas. „Wenn Quantencomputer leistungsfähiger werden, werden die Menschen versuchen, sie mit vollständiger Sicherheit und Datenschutz über Netzwerke zu nutzen, und unsere neuen Ergebnisse markieren einen Wendepunkt in dieser Hinsicht."

Die Ergebnisse könnten letztendlich zur kommerziellen Entwicklung von Geräten führen, die in Laptops eingesteckt werden können, um Daten zu schützen, wenn Menschen Quanten-Cloud-Computing-Dienste nutzen.

Forscher, die Quantencomputing und -technologien an der Oxford University Physics erkunden, haben Zugang zu der hochmodernen Beecroft-Laboratiriums Einrichtung, die speziell konstruiert wurde, um stabile und sichere Bedingungen zu schaffen, einschließlich der Beseitigung von Vibrationen.

Referenz: „Verifiable Blind Quantum Computing with Trapped Ions and Single Photons“ von 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 und D. M. Lucas, 10. April 2024, Physical Review Letters. DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.150604

Funding for the research came from the UK Quantum Computing and Simulation (QCS) Hub, with scientists from the UK National Quantum Computing Centre, the Paris-Sorbonne University, the University of Edinburgh, and the University of Maryland, collaborating on the work.