Прорыв в области квантовых облачных вычислений обеспечивает их безопасность и конфиденциальность

Предприятия стали на шаг ближе к квантовым облачным вычислениям благодаря прорыву в области их безопасности и конфиденциальности, сделанному учеными Оксфордского университета.

Исследователи использовали подход, получивший название «слепые квантовые вычисления», для соединения двух квантовых вычислительных объектов (рис. A); это имитирует ситуацию, когда сотрудник дома или в офисе удаленно подключается к квантовому серверу через облако. При использовании этого метода поставщику квантового сервера не нужно знать никаких подробностей вычислений для их выполнения, обеспечивая безопасность собственной работы пользователя. Пользователь также может легко проверить подлинность своего результата, подтвердив, что он не ошибочен и не поврежден.

Рисунок А

Обеспечение безопасности и конфиденциальности квантовых вычислений является одним из наиболее серьезных препятствий, которые до сих пор сдерживали развитие мощной технологии, поэтому эта работа может привести к тому, что она, наконец, станет мейнстримом.

Несмотря на то, что испытания проводились лишь в небольших масштабах, исследователи говорят, что их эксперимент может быть масштабирован до крупных квантовых вычислений. Могут быть разработаны подключаемые устройства, которые защищают данные работников при доступе к службам квантовых облачных вычислений.

Профессор Дэвид Лукас, соруководитель исследовательской группы физики Оксфордского университета, заявил в пресс-релизе: «Мы впервые показали, что к квантовым вычислениям в облаке можно получить доступ масштабируемым и практическим способом, что также даст людям полная безопасность и конфиденциальность данных, а также возможность проверить их подлинность».

Что такое квантовые облачные вычисления?

Классические компьютеры обрабатывают информацию в виде двоичных битов, представленных как 1 и 0, но квантовые компьютеры делают это, используя квантовые биты или кубиты. Кубиты существуют как 1, так и 0 одновременно, но с вероятностью того или иного состояния, которая определяется их квантовым состоянием. Это свойство позволяет квантовым компьютерам выполнять определенные вычисления гораздо быстрее, чем классическим компьютерам, поскольку они могут решать проблемы одновременно.

Квантовые облачные вычисления — это когда квантовые ресурсы предоставляются пользователям удаленно через Интернет; это позволяет любому использовать квантовые вычисления без необходимости специального оборудования или опыта.

СКАЧАТЬ БЕСПЛАТНО: Квантовые вычисления: Руководство для инсайдеров

Почему «слепые квантовые вычисления» более безопасны?

При использовании типичных квантовых облачных вычислений пользователь должен сообщить поставщику облака о проблеме, которую он пытается решить; это связано с тем, что инфраструктуре провайдера необходимо понимать специфику проблемы, чтобы она могла выделить соответствующие ресурсы и параметры выполнения. Естественно, в случае проприетарной работы это создает проблему безопасности.

Этот риск безопасности сведен к минимуму с помощью метода слепых квантовых вычислений, поскольку пользователь сам удаленно управляет квантовым процессором сервера во время вычислений. Информация, необходимая для обеспечения безопасности данных — например, входные, выходные и алгоритмические детали — должна быть известна только клиенту, поскольку сервер не принимает с ее помощью никаких решений.

«Никогда в истории вопросы, связанные с конфиденциальностью данных и кода, не обсуждались так остро, как в нынешнюю эпоху облачных вычислений и искусственного интеллекта», — сказал профессор Лукас в пресс-релизе.

«Поскольку квантовые компьютеры становятся более функциональными, люди будут стремиться использовать их с полной безопасностью и конфиденциальностью в сетях, и наши новые результаты знаменуют собой шаг вперед в изменении возможностей в этом отношении».

Как квантовые вычисления могут повлиять на бизнес?

Квантовые вычисления намного мощнее обычных вычислений и могут произвести революцию в нашей работе, если их успешно вывести за пределы фазы исследований. Примеры включают решение проблем цепочки поставок, оптимизацию маршрутов и обеспечение безопасности коммуникаций.

В феврале правительство Великобритании объявило об инвестициях в размере 45 миллионов фунтов стерлингов (57 миллионов долларов США) в квантовые вычисления; деньги пойдут на поиск практического применения квантовых вычислений и создание «квантовой экономики» к 2033 году. способствовать сотрудничеству между научными кругами и промышленностью. Буквально в этом месяце в Великобритании появился второй коммерческий квантовый компьютер.

Из-за высоких требований к электропитанию и охлаждению в настоящее время коммерчески доступно очень мало квантовых компьютеров. Однако несколько ведущих облачных провайдеров предлагают корпоративным клиентам и исследователям так называемый «квант как услуга». Например, Cirq от Google — это платформа квантовых вычислений с открытым исходным кодом, а Amazon Braket позволяет пользователям тестировать свои алгоритмы на локальном квантовом симуляторе. IBM, Microsoft и Alibaba также предлагают квантовые услуги как услугу.

СМОТРЕТЬ: Что разработчики классического программного обеспечения должны знать о квантовых вычислениях

Но прежде чем квантовые вычисления можно будет масштабировать и использовать в бизнес-приложениях, необходимо убедиться, что они могут быть достигнуты, сохраняя при этом конфиденциальность и безопасность данных клиентов. Именно этого надеялись достичь исследователи Оксфордского университета в своем новом исследовании, опубликованном в журнале Physical Review Letters.

Доктор Питер Дмота, руководитель исследования, сообщил TechRepublic по электронной почте: «Надежные гарантии безопасности снизят барьер для использования мощных услуг квантовых облачных вычислений, когда они станут доступны, для ускорения разработки новых технологий, таких как батареи и лекарства, а также для приложения, которые включают в себя строго конфиденциальные данные, такие как частная медицинская информация, интеллектуальная собственность и оборона. Эти приложения также существуют без дополнительной безопасности, но вряд ли будут использоваться так широко.

«Квантовые вычисления могут радикально улучшить машинное обучение. Это ускорит разработку лучшего и более адаптированного искусственного интеллекта, который, как мы уже видим, влияет на бизнес во всех секторах.

«Вполне возможно, что квантовые вычисления окажут влияние на нашу жизнь в ближайшие пять-десять лет, но трудно предсказать точную природу будущих инноваций. Я ожидаю непрерывного процесса адаптации по мере того, как пользователи начнут учиться использовать этот новый инструмент и применять его в своей работе — подобно тому, как ИИ сейчас постепенно становится все более актуальным на обычных рабочих местах.

«Наши исследования в настоящее время основаны на довольно общих предположениях, но по мере того, как предприятия начнут изучать потенциал квантовых вычислений для них, появятся более конкретные требования и направят исследования в новые направления».

Как работают слепые квантовые облачные вычисления?

Слепые квантовые облачные вычисления требуют подключения клиентского компьютера, который может обнаруживать фотоны или частицы света, к серверу квантовых вычислений с помощью оптоволоконного кабеля (рис. B). Сервер генерирует одиночные фотоны, которые отправляются по оптоволоконной сети и принимаются клиентом.

Рисунок Б

Затем клиент измеряет поляризацию или ориентацию фотонов, что сообщает ему, как удаленно манипулировать сервером таким образом, чтобы произвести желаемые вычисления. Это можно сделать без необходимости доступа сервера к какой-либо информации о вычислениях, что делает их безопасными.

Чтобы обеспечить дополнительную уверенность в том, что результаты вычислений не являются ошибочными или не были подделаны, могут быть проведены дополнительные тесты. Хотя фальсификация не повредит безопасности данных в слепых квантовых вычислениях, она все равно может испортить результат и оставить клиента в неведении.

«Законы квантовой механики не допускают копирования информации, и любая попытка наблюдать за состоянием памяти со стороны сервера или перехватчика приведет к повреждению вычислений», — объяснил доктор Дмота TechRepublic в электронном письме. «В этом случае пользователь заметит, что сервер работает некорректно, используя функцию, называемую «проверка», и прекратит использование своего сервиса, если возникнут какие-либо сомнения.

«Поскольку сервер «слеп» к вычислениям — то есть не способен различать разные вычисления — клиент может оценить надежность сервера, выполнив простые тесты, результаты которых можно легко проверить.

«Эти тесты можно чередовать с реальными вычислениями до тех пор, пока не будет достаточно доказательств того, что сервер работает правильно, и можно будет доверять правильным результатам фактических вычислений. Таким образом, клиент может обнаружить как честные ошибки, так и злонамеренные попытки вмешательства в вычисления».

Рисунок С

Что обнаружили исследователи в ходе слепого эксперимента с квантовыми облачными вычислениями?

Исследователи обнаружили, что вычисления, произведенные их методом, «могут быть проверены надежно и надежно», как говорится в статье. Это означает, что клиент может быть уверен, что результаты не были подделаны. Он также масштабируем, поскольку количество квантовых элементов, которыми манипулируют для выполнения вычислений, можно увеличить «без увеличения количества физических кубитов на сервере и без модификаций клиентского оборудования», пишут ученые.

Доктор Дрмота заявил в пресс-релизе: «Используя слепые квантовые вычисления, клиенты могут получить доступ к удаленным квантовым компьютерам для обработки конфиденциальных данных с помощью секретных алгоритмов и даже проверки правильности результатов, не раскрывая никакой полезной информации. Реализация этой концепции — большой шаг вперед как в квантовых вычислениях, так и в обеспечении безопасности нашей информации в Интернете».

Исследование финансировалось Британским центром квантовых вычислений и моделирования — объединением 17 университетов, поддерживаемых коммерческими и государственными организациями. Это один из четырех центров квантовых технологий в Национальной программе квантовых технологий Великобритании.