隐私問題成遠端量子計算最大障礙，新加坡科學家十餘年研究出“盲量子計算”有望破解困局

量子計算已經進入了加速發展期，科技巨頭如 Google 和 IBM 正在大力研發通用量子計算機，這種計算機可以輕松處理并分析百萬級别的案例和資料，就連如今最快的超級計算機，也難望其項背。而除此以外，有些公司已經在嘗試開放量子計算（處理器）的遠端控制權，這也就意味着，在未來，人們不需要擁有一台量子計算機也可以安全地進行遠端量子計算。

一直以來，大部分研究人員都質疑遠端執行量子計算的安全性，除非遠端使用者自己也擁有量子計算機，否則其運算步驟很容易洩露。最近，新加坡和澳洲研究團隊在7月11号的期刊《Physical Review X》上發表了一篇論文，向這種質疑聲發出挑戰。

新加坡國立大學（National University of Singapore）量子技術中心的理論實體學家 Joseph Fitzsimons 表示，“坦白地說，我們都覺得不可思議。已經有很多實驗結果都說明了一個普通使用者是很難保證他所委托執行的量子計算任務是完全保密的。恰恰相反，在遠端運算過程中，任何有意義的資訊都會暴露則更是司空見慣的事情。”

圖丨新加坡國立大學理論實體學家 Joseph Fitzsimons

量子計算主要依靠量子位（qubits）的特質：量子位有别于普通計算機的二進制計算單元（0或者1），它可以同時處于 0 和 1 的狀态（疊加态）。這意味着量子位可以同時表示并處理多重狀态，效率遠遠超過普通計算單元。為此，研究團隊采用了一個叫做“基于測量的量子計算（measurement-based quantum computing）”的特定方法，這個方法可以幫助使用者隐藏他們的量子計算資訊。

實作“基于測量的量子計算”方法時，一個量子計算機首先要将所有的量子位置于特定的量子糾纏（quantum entanglement）狀态下，在這個狀态下改變任意一個量子位，都會影響到其餘所有的量子位。其次，由量子計算機指定程式，生成一個特定順序，按照這個順序逐個測量每一個量子位。遠端使用者可以指揮測量量子位的每一個步驟，量子位的測量可以加密輸入的資料和正在運作的程式。至關重要的是，每一個測量都取決于上一個測量的結果。

Fitzsimons 和他的同僚找到了如何利用這個逐漸式的方法來進行量子計算，最終開發出了一個新的“盲量子計算（blind quantum computation）”的安全模式。他們展示了遠端使用者通過普通電腦在不透露真實意圖的情況下，一步一步地使用量子計算機成功進行計算的。也就是說，量子計算機的擁有者即便通過搜集量子位的輸入、操作、輸出，也無法掌握量子位的作用、測量步驟的細節和計算的最終目的。

這項發現颠覆了之前的觀點：普通計算機使用者在遠端使用量子計算服務時，無法保證自身資料的隐秘性和安全性。Fitzsimons 表示，他的研究團隊在測試這個方法的安全性時，得到了積極可靠的實驗結果，而且這套“流程模糊效果（flow ambiguity effect）”操作起來并不困難。

Fitzsimons 解釋道：“曾經有研究結果表明，如果使用者擁有一種可以測量量子态（quantum state）的小型量子裝置，那麼他就有可能完全隐藏量子計算。然而對于沒有量子裝置使用者的研究，則一直以來都沒有任何解決辦法。我們現在發明的這個方法允許任何一個普通計算機使用者，在遠端使用量子計算機時隐藏他們的計算和資料，就像通過網際網路通路一個裝置一樣簡單友善。”

這項研究可以說是人類普及安全量子雲計算所邁出的一大步，也是 Fitzsimons 十數載春夏秋冬潛心研究“盲量子計算（blind quantum computation）”的結果。研究團隊收到了很多機構直接和間接的科研資助，其中包括美國空軍科學研究辦公室（U.S. Air Force Office of Scientific Research），澳洲研究理事會（Australian Research Council），美國國防進階研究計劃局（U.S. Defense Advanced Research Projects Agency），和新加坡國家研究基金會（Singapore National Research Foundation）。

當然，在真正運用“盲量子計算”技術之前，還有一些重要的問題要解決。例如，從理論上來講，最新的研究僅僅證明了，在“沒有預先知曉任何資訊”的情況下，一個量子計算機大機率不會分辨出計算的步驟和意圖。可是一旦量子計算機獲得了大量的資訊，而這些資訊與其正在進行的運算相關聯，它有沒有可能通過關聯起這些運算資訊來找出使用者的步驟和資料呢？Fitzsimons 和他的同僚正在準備類似的實驗和研究，希望能從中得到答案。

另外一個有趣的問題也随之而來，這個方法可不可以幫助普通電腦使用者證明遠端量子計算的準确程度？Fitzsimons 表示，“這意味着我們可以在主量子計算過程中，嵌入隐藏的測試運算，這樣就可以檢測到是否有可疑的，或者有缺陷的量子計算機，導緻了（計算）偏差。”如果這真方法的可行，那麼 Google 和 IBM 等公司就可以向人們提供既安全又準确的量子雲計算服務了。

圖丨IBM 的量子計算機

“随着越來越多的公司開始嘗試通過網際網路提供量子計算（處理器）服務，量子通訊時代的到來也是遲早的事，那麼在那一天到來之前，使用者最關心的自然是他們的資訊和資料究竟安不安全。”Fitzsimons 總結道。

原文釋出時間為：2017-09-12

本文作者：DeepTech深科技

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