Potvrzení kvantových počítačů je ve svém srdci poměrně jednoduché: využitím kontraintuitivních kvantových efektů by mohly pro jakýkoli klasický počítač provádět výpočetní výkony naprosto nemožné. Ale realita je složitější: dosud většina Nároky na kvantovou „výhodu“– Úspěch kvantového počítače, který se běžný stroj nemůže shodovat – se snažil prokázat, že skutečně překračují klasické schopnosti. A mnoho z těchto tvrzení zahrnuje vymyšlené úkoly minimálního praktického použití, což podporuje kritiku, že kvantové výpočetní techniky je přinejlepším přehnaný A v nejhorším případě Cesta nikam.
Nyní se však zdá, že tým vědců z JPMorgancházy, kvantové výpočetní firmy Quantinuum, Argonne National Laboratory, Oak Ridge National Laboratory a University of Texas v Austinu prokázal skutečnou výhodu, která je relevantní pro skutečné problémy online zabezpečení. Výsledky skupiny, nedávno zveřejněné v Přírodastavět na a Předchozí certifikační protokol– Způsob, jak zkontrolovat, že náhodná čísla byla vytvořena spravedlivě – vyvinuto počítačovým vědcem UT Austin Scott Aaronson a jeho bývalý postdoktorský výzkumný pracovník Shih-Han visel.
Tým pomocí kvantinua vyvinutého kvantového počítače v tandemu s klasickými nebo tradičními superpočítači v Argonne a Oak Ridge prokázal techniku, která dosahuje to, co se nazývá certifikovaná náhodnost. Tato metoda generuje náhodná čísla z kvantového počítače, která jsou poté ověřena pomocí klasických superpočítačů, což umožňuje, aby byla nyní certifikovaná náhodná čísla bezpečně použita jako passkeys pro šifrovanou komunikaci. Technika, tým poznamenává, vydává větší náhodnost, než je zapotřebí – úkol nedosahující klasickým výpočtem.
O podpoře vědecké žurnalistiky
Pokud se vám tento článek líbí, zvažte podporu naší oceněné žurnalistiky předplatné. Zakoupením předplatného pomáháte zajistit budoucnost působivých příběhů o objevech a myšlenkách, které dnes formují náš svět.
Tým fyziků a inženýrů s použitím zobrazeného kvantového počítačového modelu vyvinutého výpočetní firmou Quantinuum prokázal techniku, která dosahuje to, co se nazývá certifikovaná náhodnost.
„Teoreticky si myslím, že je to zajímavé, protože musíte sestavit spoustu technických nástrojů, aby se teoretická analýza mohla létat,“ říká Hung, nyní odborný asistent elektrotechniky na Národní tchajwanské univerzitě. „Generování náhodného čísla je ústředním úkolem pro moderní kryptografii a algoritmy. Chcete, aby šifrování bylo bezpečné a pro (passkey) bylo skutečně náhodné.“
Pokud jde o zabezpečení internetu, náhodnost je zbraň – matematicky neproniknutelný štít před škodlivými protivníky, kteří se snaží špehovat tajnou komunikaci a manipulovat nebo krást citlivá data. Dobrým příkladem je dvoufaktorová autentizace běžně používaná k ochraně osobních online účtů: uživatel se přihlásí do systému s heslem, ale poté také používá zabezpečené zařízení k přijetí řetězce náhodně generovaných čísel z externího zdroje. Zadáním tohoto řetězce, který nelze protivníci předvídat kvůli jeho náhodnosti, uživatel ověřuje svou identitu a je mu poskytnut přístup.
„V našem digitálním životě se používají náhodná čísla,“ říká Henry YuenPočítačový vědec na Columbia University, který se studiem nezúčastnil. „Používáme je k zajištění naší digitální komunikace, provádění randomizovaných kontrolovaných pokusů pro lékařské testování, simulace výkonu automobilů a letadel – je důležité zajistit, aby čísla pro ně byla skutečně náhodně generována.“
Na druhé straně ve více kryptografických aplikacích nestačí pouze generovat náhodná čísla. Musíme vygenerovat náhodné výsledky, o kterých víme, že jsou výsledkem nezaujatého procesu. „Je důležité být schopen prokázat náhodnost skeptiku, který nedůvěřuje zařízení, které produkuje náhodnost,“ říká Bill FeffermanPočítačový vědec na University of Chicago, který se do nového díla nezúčastnil. Implementace takových protokolů pro kontrolu každého výsledku by bylo „klasicky nemožné“, říká Fefferman, ale možný s vynikajícím výpočetním potenciálem kvantových zařízení.
„Kvantové počítače a kvantové technologie nabízejí jediný způsob, jak spolehlivě generovat a testovat náhodnost,“ říká Yuen. Na rozdíl od klasických počítačů, které závisí na binárních „bitách“ pro zpracování informací, kvantové počítače fungují qubitskteré mohou mít nekonečný počet možných orientací, když existují ve stavu superpozice. Tyto qubits umožňují kvantovým počítačům zpracovat exponenciálně větší zatížení dat při mnohem rychlejších rychlostech.
Kvantový počítač zapojený do nejnovější demonstrace používá 56 takových qubits ke spuštění protokolu vyvinutého Aaronsonem a Hungem. Podstata postupu je relativně jednoduchá. Nejprve je kvantový počítač dán složitý problém, který vyžaduje, aby generoval náhodné výstupy, v procesu zvaném vzorkování náhodného obvodu. U dostatečně malého kvantového počítače, obvykle pod 75 qubits, lze tyto výstupy vysledovat na klasických počítačích, aby se zjistilo, že výsledky nemohly být generovány klasicky, vysvětluje Christopher Monroeodborník na kvantové výpočetní techniky na Duke University, který se do studie nezúčastnil.
Ověřování tohoto je další krok v protokolu, ale zahrnuje přidanou upozornění: čas. Kvantový počítač musí generovat své výstupy rychleji, než by mohly být napodobeny (nebo „spoofed“) jakoukoli známou metodou klasického výpočtu. V demonstraci týmu trval systém Quantinuum několik sekund, než vytvořil každý výstup. Dva národní laboratorní superpočítače následně tyto výstupy ověřily a nakonec věnovaly celkem 18 hodin výpočetního času, aby vytvořily více než 70 000 certifikovaných náhodných bitů.
Tyto bity byly certifikovány pomocí testu, který dává výsledkům něco, co se nazývá křížové entropické benchmarking (XEB) skóre, které kontroluje, jak „ideální“ je náhodnost distribucí. Vysoké skóre XEB spojené s krátkou dobou odezvy by znamenalo, že určitý výsledek je velmi nepravděpodobné, že by byl ovlivněn jakýmkoli rušením z nedůvěryhodných zdrojů. Úkol klasického simulace veškerého úsilí o spoof systému by podle Aaronsona vyžadoval nepřetržitou práci nejméně čtyř srovnatelných superpočítačů.
„Výsledek (certifikovaného testu náhodnosti) se řídí kvantově-mechanickou náhodností-není to jednotně náhodné,“ říká Aaronson. Například v případě 56-quitského počítače Quantinuum by 53 z 56 bitů mohlo mít hodně entropie nebo náhodnosti, a to by bylo v pořádku. „A ve skutečnosti, že to není uniforma, je velmi důležité; jsou to odchylky od uniformity, které nám umožňují otestovat, že ano, tyto vzorky jsou dobré. Opravdu pocházejí z tohoto kvantového obvodu.“
Skutečnost, že tato měření musí být navíc ověřena u klasických počítačů, však „důležitá omezení škálovatelnosti a užitečnosti tohoto protokolu,“ poznamenává Fefferman. Ironicky, aby dokázal, že kvantový počítač provedl nějaký úkol správně, Je třeba přinést klasické superpočítače Vybrat svou práci. Pro většinu současné generace experimentů, které se snaží prokázat kvantovou výhodu, je to přirozený problém.
Aaronson si je také vědom tohoto omezení. „Z přesně stejného důvodu, proč věříme, že tyto experimenty jsou velmi obtížné spoof pomocí klasického počítače, hrajete tuto velmi delikátní hru, kde musíte být, jako, jen Na hranici toho, co může klasický počítač udělat, “říká Aaronson.
To znamená, že to je stále působivý první krok, říká Fefferman a protokol bude užitečný pro případy, jako jsou veřejné loterie nebo výběr poroty, kde je klíčová nezaujatá spravedlnost. „Pokud chcete náhodná čísla, je to triviální – vezměte si pult Geiger a dejte jej vedle nějakého radioaktivního materiálu,“ říká Aaronson. „Používání klasického chaosu může být v pořádku, pokud důvěřujete nastavení, ale neposkytuje certifikaci proti nepoctivému serveru, který právě ignoruje chaotický systém a namísto toho vám nakrmí výstup generátoru pseudorandomu,“ dodává Aaronson odpověď na jeho komentář k jeho komentáři Blogový příspěvek o protokolu.
Zda protokol bude skutečně mít praktickou hodnotu, bude záviset na následném výzkumu – což je obecně případ mnoha experimentů „kvantové výhody“. „Hype v poli je právě teď šílený,“ říká Monroe. „Ale za tím něco je, jsem přesvědčen. Možná ne dnes, ale myslím, že z dlouhodobého hlediska tyto věci uvidíme.“
Nová práce je, pokud jde o kvantový hardware, říká, že nová práce je stále impozantním pokrokem, říká Yuen. „Před několika lety jsme byli nadšeni, že v laboratoři máme hrst vysoce kvalitních qubitů. Nyní Quantinuum vytvořil kvantový procesor s 56 qubits.“
„Kvantová výhoda není jako přistání na Měsíci – je to negativní prohlášení,“ říká Aaronson. „Je to prohlášení (tvrdí, že) to nikdo nemůže udělat pomocí klasického počítače. Potom se klasický výpočetní technika dostane do brány …. Klasický hardware se neustále zlepšuje a lidé stále objevují nové klasické algoritmy.“
V tomto smyslu může být kvantové výpočetní techniky podobné „pohybující se cíl„Aaronson říká.„ Očekáváme, že v konečném důsledku, v případě některých problémů bude tato válka vyhrána kvantovou stranou. Ale pokud chcete vyhrát válku, musíte udělat problémy, kde je kvantová výhoda trochu iffier, kde je to trochu zranitelnější. “
