Garanterar säkerhet och integritet: Nytt kvantgenombrott kan gynna miljoner människor

Processen tillåter en fjärranvändare (till höger) att komma åt en kvantdator i molnet (till vänster) med fullständig säkerhet. Källa: Helene Hainzer, Oxford University Physics.

Ett nyligen genombrott som garanterar säkerhet och integritet av fysiker på Oxford University kan göra det möjligt för miljontals människor och företag att utnyttja förmågorna hos nästa generations kvantdatorer. Denna framsteg lovar att låsa upp den omvandlande potentialen hos molnbaserad kvantdatorer och beskrivs i en ny studie publicerad i den inflytelserika amerikanska vetenskapliga tidskriften Physical Review Letters.

Professor David Lucas, samordningschef för forskningsteamet på Oxford University Physics och ledande vetenskapsman vid UK Quantum Computing and Simulation Hub. Källa: Martin Small

Kvantdatorer utvecklas snabbt, vilket banar väg för nya applikationer som kan förändra tjänster inom många områden som hälso- och sjukvård och finansiella tjänster. Det fungerar på ett fundamentalt annat sätt än konventionell datoranvändning och är potentiellt mycket kraftigare. Men för närvarande kräver det kontrollerade förhållanden för att förbli stabilt och det finns oro kring dataautenticitet och effektiviteten hos nuvarande säkerhets- och krypteringssystem.

Flera ledande leverantörer av molnbaserade tjänster, som Google, Amazon och IBM, erbjuder redan separat vissa element av kvantdatorer. Att skydda kunddatas integritet och säkerhet är en avgörande förutsättning för att skalas upp och expandera dess användning och för utvecklingen av nya applikationer när tekniken avancerar. Den nya studien av forskare vid Oxford University Physics tar upp dessa utmaningar.

"Vi har visat för första gången att kvantdatorer i molnet kan nås på ett skalbart, praktiskt sätt som också kommer att ge människor fullständig säkerhet och datasekretess, plus möjligheten att verifiera dess äkthet", sade professor David Lucas, som samordnar Oxford University Physics forskningsteam och är ledande forskare vid UK Quantum Computing and Simulation Hub, ledd från Oxford University Physics.

Experiment om kvantdatorer i Beecrofts anläggning, Oxford University Physics. Källa: David Nadlinger, Oxford University Physics.

I den nya studien använder forskarna en ansats som kallas "blind kvantdator", vilket kopplar samman två helt separata kvantdatorer - potentiellt en individ hemma eller på ett kontor som kommer åt en molnserver - på ett helt säkert sätt. Viktigt är att deras nya metoder kan skalas upp för stora kvantberäkningar.

Peter Drmota, författare till den nya studien som ledde experimenten om blind kvantdator vid Oxford University Physics. Källa: Martin Small.

"Genom att använda blind kvantdator kan kunder komma åt fjärrdata för att behandla konfidentiella data med hemliga algoritmer och till och med verifiera att resultaten är korrekta, utan att avslöja någon användbar information. Att förverkliga detta koncept är ett stort steg framåt inom både kvantdatorer och att hålla vår information säker online", sade studiens ledare Dr Peter Drmota, vid Oxford University Physics.

Forskarna skapade ett system bestående av en fiberkobling mellan en kvantdatorserver och en enkel enhet som detekterar fotoner, eller partiklar av ljus, vid en oberoende dator som fjärrkommer till sina molntjänster. Detta möjliggör så kallad blind kvantdator över ett nätverk. Varje beräkning medför en korrigering som måste tillämpas på alla som följer och behöver information i realtid för att följa algoritmen. Forskarna använde en unik kombination av kvantminne och fotoner för att uppnå detta.

"Aldrig i historien har frågorna kring datasekretess och kod debatterats mer brådskande än i den nuvarande eran av molndator och artificiell intelligens", sa professor David Lucas. "När kvantdatorer blir mer kapabla kommer människor att vilja använda dem med fullständig säkerhet och integritet över nätverk och våra nya resultat markerar ett steg i kapabilitet i detta avseende."

Resultaten kan i slutändan leda till kommersiell utveckling av enheter att ansluta till bärbara datorer, för att skydda data när människor använder kvantmolndatortjänster.

Forskare som undersöker kvantdatorer och teknik vid Oxford University Physics har tillgång till den toppmoderna laboratorierna vid Beecroft, speciellt konstruerade för att skapa stabila och säkra förhållanden, inklusive eliminering av vibrationer.

Referens: "Verifiable Blind Quantum Computing med Trapped Ions och Single Photons" av P. Drmota, DP. Nadlinger, D. Main, BC. Nichol, EM. Ainley, D. Leichtle, A. Mantri, E. Kashefi, R. Srinivas, G. Araneda, CJ. Ballance och DM. 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.