A kvantumeredmények ellenőrzésének régi problémája
Eddig főként elméleti modelleket használtak annak eldöntésére, hogy egy kvantumszámítógép eredménye hihető-e. Ezeknek viszont gyakran az volt a feltétele, hogy két külön gépet vagy egy komplex kommunikációs hálózatot kellett volna használni. Ráadásul a gépek méretének növekedésével már nem lehet klasszikus számítógépekkel összevetni a kvantumeredményeket.
Ezzel szemben az új protokoll mindezt egyetlen csipen oldja meg, így nincs szükség hálózatra vagy második processzorra. A kvantumeszköz saját magát teszteli, és dönt arról, hogy az eredménye igazolható-e. Ez új szintre emeli a megbízhatóságot: a hitelesítés már valós időben, futás közben megtörténik.
Hogyan működik az önellenőrző protokoll?
A megközelítés a kliens-szerver modellből ered: eredetileg úgy tervezték, hogy egy kliens (például Alice) úgy delegálja a bonyolult feladatokat egy erősebb szervernek (Bob), hogy közben „csapdákat” rejt el a műveletekben. A szerver nem tudja, mikor találkozik valódi vagy csapdát jelentő művelettel, de a válaszai alapján a kliens utólag le tudja ellenőrizni, hogy Bob jól dolgozott.
A fejlesztők ezt az ötletet ültették át egyetlen kvantumprocesszor világába, ahol most nem egy külső „rosszindulatú szereplő” fenyeget, hanem maga a hibázó hardver. A protokoll lényege, hogy véletlenszerűen keveri a mérési (teszt) és a valódi számítási lépéseket. Az eredmények alapján statisztikailag eldönthető, hogy az adott környezetben mennyire lehet megbízni a számításokban.
Nem elhanyagolható tényező, hogy az önellenőrzés eltünteti a szükségességét egy bonyolult kvantumhálózatnak, hiszen a csapdák és ellenőrzések mind a meglévő, egyetlen processzor képességeivel megoldhatók.
Sikeres teszt: az eddigi legnagyobb ellenőrzött kvantumszámítás
A csapat élesben is kipróbálta a protokollt a Quantinuum H-1 típusú, csapdába zárt ionokat alkalmazó processzorán. Mérési körökkel felváltva futtattak teszt- és valódi feladatokat, majd az adatokból kimutatták, hogy a kvantumszámítógép eredménye ténylegesen ellenőrizhető.
A mostani rendszerrel sikerült egy 52 csomópontot tartalmazó, összefonódott gráfállapotot (graph state) hitelesíteni, ami jelenleg világcsúcsnak számít a mérésalapú kvantumellenőrzésben. Ez azt mutatja, hogy már most léteznek olyan technikák, amelyek segítségével biztosan el lehet dönteni egy kvantumszámítás helyességét, még „valódi”, hibatűrő hardveren is.
Ezzel szemben más, korábbi kísérleteknél – például a Google Quantum Echoes projektjében – legalább két, külön kvantumprocesszorra volt szükség a keresztellenőrzéshez.
A következő lépés: nagyobb pontosság, szélesebb körű alkalmazhatóság
A kutatók most azon dolgoznak, hogy protokolljuk még hibatűrőbb legyen, és a tényleges hardverzaj minél pontosabb modelljével számoljanak. Ez nagyon fontos, mert a jelenlegi rendszerek főként Markov-zajt produkálnak (vagyis a hibák függetlenek a korábbi hibáktól), azonban a jövő hardvereinél már olyan, „memóriával rendelkező” hibák is előfordulhatnak, amelyeket most még nehéz észlelni és kezelni.
Céljuk a hibasávok pontosítása, vagyis hogy adott zajszint mellett mekkora kvantumprocesszort lehet biztosan leellenőrizni. Hosszú távon olyan méretezhető, erre optimalizált megoldásokat szeretnének, amelyek bármilyen hardverre alkalmazhatók, és a teljesen megbízható, hibatűrő kvantumszámítástechnika alapját adják.
Nem elhanyagolható tényező, hogy a Quantinuum folyamatosan fejleszti gépeit, és minden generációval javul a hibajavító rendszerek teljesítménye. Az önellenőrző protokollokat ugyanerre a fejlődésre szeretnék rászabni, hogy a jövő kvantumgépein minden szempontból biztonságos és ellenőrizhető legyen a működés.
Következtetés
A fentiek tükrében a most kifejlesztett önellenőrző kriptográfiai protokoll a kvantumtechnológia egyik kulcslépése: új módszereket kínál a kvantumszámítás hitelesítésére, és rekordméretű kvantumrendszerek megbízható ellenőrzését teszi lehetővé. Ezzel egyre közelebb kerülünk a hibatűrő, tömegesen alkalmazható kvantumszámítógépek korszakához, ahol már nem kérdés, hogy a gép tényleg jól számolt-e – ez már a számítás közben eldől.
