牛津大學光子聯網的俘獲離子量子處理器伺服器的照片，圖檔來源：David Nadlinger。
量子計算機是利用量子力學現象處理和存儲資訊的系統，最終可以在許多任務上超越經典計算機。除其他外，這些計算機可以讓研究人員解決複雜的優化問題，加快藥物發現速度，并更好地保護使用者免受網絡安全威脅。
盡管有這些優勢，但大多數現有的量子計算機仍然隻能被全世界有限的少數人使用。是以，計算機科學家一直在嘗試開發可以在短期内促進其廣泛使用的方法，例如使用允許遠端通路量子伺服器的基于雲的系統。
雖然基于雲的方法可以擴大人們對量子計算的通路，但它們也帶來了重大的隐私和安全風險，因為使用者的資訊和活動可能會被惡意通路。近年來，一些研究引入了可以克服這些限制的方法，允許伺服器隐藏用戶端的算法，以及由基于雲的量子計算系統提供或産生的資訊。
牛津大學的研究人員最近開始對一種實作可驗證的盲量子計算的方法進行實驗測試。他們的論文發表在《實體評論快報》上，驗證了這種方法在提高基于雲的量子計算平台安全性方面的前景。
“在牛津大學，我們一直在建構世界上最複雜的量子網絡之一，”該論文的合著者加布裡埃爾·阿拉内達（Gabriel Araneda）告訴 Phys.org。
“我們已經能夠展示量子網絡領域的幾個裡程碑，包括首次完全實作遠端系統之間與裝置無關的量子密鑰分發，以及第一個遠端糾纏原子鐘的量子網絡。
在他們最近的論文中，Araneda、Peter Drmota和他們的合作者特别關注通過網絡連結将用戶端執行的量子計算安全地委托給不受信任的量子伺服器的任務。
“盲目量子計算已被提議作為安全雲計算的解決方案，客戶可以将計算委托給量子伺服器，而無需透露算法或處理的資料，”Drmota說。“此外，客戶可以驗證從伺服器獲得的結果是否正确——如果無法通過任何其他方式有效地解決問題，這将是一個重大挑戰。”
直到幾年前，實作基于雲的安全量子計算的理論建議還沒有考慮到裝置的缺陷。由于量子計算機具有許多固有的缺陷，這些建議最終被證明是無效的，并且容易受到噪聲的影響。
盲量子計算的藝術渲染。鳴謝：Helene Hainzer。
索邦大學（Sorbonne University）和愛丁堡大學（Edinburgh University）的Dominik Leichtle及其同僚在一篇論文中介紹了一種用于委派量子計算的高效盲驗證協定。作為他們研究的一部分，Drmota和他在牛津大學的同僚開始在實驗環境中應用該協定，使用通過量子光纖鍊路連接配接到客戶可通路的光子檢測系統的捕獲離子系統。
“盲目量子計算的協定很難實作，因為每個步驟都會産生一個修正，以應用于後續步驟，”該論文的合著者David Nadlinger解釋說。“是以，它是互動式的，需要實時資訊前饋，以使計算與預期的算法保持一緻。
以前實作的盲量子計算協定利用光子來執行計算和與用戶端通信。這些純光子實作無法确定性地執行糾纏門，并且缺乏實時前饋資訊。
這意味着它們需要對結果進行後期選擇，這大大降低了它們在實際應用中的有效性。Drmota和他的同僚們以不同的方式實作了盲目的量子計算協定，并能夠克服這些問題。
“我們在伺服器中采用了強大的記憶體量子比特，它可以與第二個量子比特确定性地糾纏在一起，并允許我們在裝置執行實時前饋操作時存儲量子資訊，”Drmota說。
“這個實驗的主要目标是消除早期實作的效率和安全限制。我們通過在用戶端使用快速、自适應的硬體和在伺服器上使用可以确定性地與網絡量子比特糾纏的記憶體量子比特來實作确定性協定的成功。
為了進行實驗，研究人員使用了一個離子阱量子處理器，該處理器通過光纖量子鍊路連接配接到客戶的裝置。他們開發的系統基本上依賴于與通過光纖發送到用戶端的單光子糾纏在一起的網絡量子比特，以及存儲目前計算狀态的記憶體量子比特。
“客戶操作一個更簡單的裝置：光子探測器，專門用于在任意可切換的基礎上測量入射光子的偏振，”Araneda說。
“光子的測量使光子和網絡量子比特之間的糾纏狀态的波函數坍縮，進而将網絡量子比特的狀态'引導'到用戶端獨有的狀态。
将量子比特的狀态“引導”到隻有用戶端知道的狀态的過程稱為“遠端狀态準備”。這個過程最終導緻伺服器對自己的量子比特狀态“視而不見”。
真空室内的離子阱照片，作為量子伺服器的一部分“，來源：David Nadlinger。
研究人員解釋說：“伺服器中相幹時間超過10秒的記憶體量子比特的可用性使用戶端能夠通過調整偏振分析儀在計算過程中的基礎，對從伺服器獲得的中間結果做出實時反應。
“結合确定性地糾纏伺服器中的量子比特的能力，每一次計算嘗試都會确定性地成功，不需要後選擇。
研究人員對盲驗證協定的示範可能很快為基于雲的量子計算服務的實施開辟了新的可能性。由于量子計算機是難以大規模部署的先進技術，是以其可靠的遠端操作很可能是在短期内實作其廣泛使用的最可行途徑。
“我們的實驗表明，量子計算客戶如何私密、安全地通路遠端量子計算機的處理能力，”Drmota說。“使用來自家庭的量子連結，通過一個簡單的測量裝置，所有處理的資料和算法本身都可以受到量子力學定律的保護。此外，我們還展示了用戶端如何驗證從伺服器獲得的結果是否正确。
Drmota及其合作者最近的工作是對快速發展的量子計算領域的重大貢獻。其他研究團隊可能很快會從他們提出的方法中汲取靈感，這可能會導緻進一步的提議和發展。
“從技術角度來看，連接配接三個不同的量子比特，一個光子，一個鈣離子和一個锶離子，是具有挑戰性的，并且具有顯着的實驗複雜性，”研究人員說。
“我們設法結合了所有必要的工具，在現實環境中實作盲目量子計算，其中所有用戶端的硬體都獨立于伺服器進行控制，并且計算是通過經典資訊的實時前饋執行的，而量子資訊則存儲在記憶體量子比特上。”
在他們的下一個研究中，Drmota和他的合作者計劃繼續建立他們的系統。例如，他們可以擴充他們的方法以執行更大的計算，使用先前提出的可以更新的系統（即增加記憶體量子比特的數量和本地操作的保真度）。
“伺服器和用戶端之間的距離也可以擴充到城市規模的網絡，使用經過驗證的技術将光子轉換為電信波長，”Araneda補充道。
“此外，還可以通過使用光開關來增加用戶端的數量，将量子處理器發射的光子路由到不同的用戶端。我們将與Elham Kashefi教授和英國國家量子計算中心合作，探索未來在不同實驗平台上驗證量子計算的途徑，這些平台允許最先進的噪聲水準。
更多資訊：P. Drmota 等人，Verifiable Blind Quantum Computing with Trapped Ions and Single Photons，Physical Review Letters （2024）。DOI： 10.1103/PhysRevLett.132.150604
期刊資訊： Physical Review Letters