牛津大学光子联网的俘获离子量子处理器服务器的照片，图片来源：David Nadlinger。
量子计算机是利用量子力学现象处理和存储信息的系统，最终可以在许多任务上超越经典计算机。除其他外，这些计算机可以让研究人员解决复杂的优化问题，加快药物发现速度，并更好地保护用户免受网络安全威胁。
尽管有这些优势，但大多数现有的量子计算机仍然只能被全世界有限的少数人使用。因此，计算机科学家一直在尝试开发可以在短期内促进其广泛使用的方法，例如使用允许远程访问量子服务器的基于云的系统。
虽然基于云的方法可以扩大人们对量子计算的访问，但它们也带来了重大的隐私和安全风险，因为用户的信息和活动可能会被恶意访问。近年来，一些研究引入了可以克服这些限制的方法，允许服务器隐藏客户端的算法，以及由基于云的量子计算系统提供或产生的信息。
牛津大学的研究人员最近开始对一种实现可验证的盲量子计算的方法进行实验测试。他们的论文发表在《物理评论快报》上，验证了这种方法在提高基于云的量子计算平台安全性方面的前景。
“在牛津大学，我们一直在构建世界上最复杂的量子网络之一，”该论文的合著者加布里埃尔·阿拉内达（Gabriel Araneda）告诉 Phys.org。
“我们已经能够展示量子网络领域的几个里程碑，包括首次完全实现远程系统之间与设备无关的量子密钥分发，以及第一个远程纠缠原子钟的量子网络。
在他们最近的论文中，Araneda、Peter Drmota和他们的合作者特别关注通过网络链接将客户端执行的量子计算安全地委托给不受信任的量子服务器的任务。
“盲目量子计算已被提议作为安全云计算的解决方案，客户可以将计算委托给量子服务器，而无需透露算法或处理的数据，”Drmota说。“此外，客户可以验证从服务器获得的结果是否正确——如果无法通过任何其他方式有效地解决问题，这将是一个重大挑战。”
直到几年前，实现基于云的安全量子计算的理论建议还没有考虑到设备的缺陷。由于量子计算机具有许多固有的缺陷，这些建议最终被证明是无效的，并且容易受到噪声的影响。
盲量子计算的艺术渲染。鸣谢：Helene Hainzer。
索邦大学（Sorbonne University）和爱丁堡大学（Edinburgh University）的Dominik Leichtle及其同事在一篇论文中介绍了一种用于委派量子计算的高效盲验证协议。作为他们研究的一部分，Drmota和他在牛津大学的同事开始在实验环境中应用该协议，使用通过量子光纤链路连接到客户可访问的光子检测系统的捕获离子系统。
“盲目量子计算的协议很难实现，因为每个步骤都会产生一个修正，以应用于后续步骤，”该论文的合著者David Nadlinger解释说。“因此，它是交互式的，需要实时信息前馈，以使计算与预期的算法保持一致。
以前实现的盲量子计算协议利用光子来执行计算和与客户端通信。这些纯光子实现无法确定性地执行纠缠门，并且缺乏实时前馈信息。
这意味着它们需要对结果进行后期选择，这大大降低了它们在实际应用中的有效性。Drmota和他的同事们以不同的方式实现了盲目的量子计算协议，并能够克服这些问题。
“我们在服务器中采用了强大的内存量子比特，它可以与第二个量子比特确定性地纠缠在一起，并允许我们在设备执行实时前馈操作时存储量子信息，”Drmota说。
“这个实验的主要目标是消除早期实现的效率和安全限制。我们通过在客户端使用快速、自适应的硬件和在服务器上使用可以确定性地与网络量子比特纠缠的内存量子比特来实现确定性协议的成功。
为了进行实验，研究人员使用了一个离子阱量子处理器，该处理器通过光纤量子链路连接到客户的设备。他们开发的系统基本上依赖于与通过光纤发送到客户端的单光子纠缠在一起的网络量子比特，以及存储当前计算状态的内存量子比特。
“客户操作一个更简单的设备：光子探测器，专门用于在任意可切换的基础上测量入射光子的偏振，”Araneda说。
“光子的测量使光子和网络量子比特之间的纠缠状态的波函数坍缩，从而将网络量子比特的状态'引导'到客户端独有的状态。
将量子比特的状态“引导”到只有客户端知道的状态的过程称为“远程状态准备”。这个过程最终导致服务器对自己的量子比特状态“视而不见”。
真空室内的离子阱照片，作为量子服务器的一部分“，来源：David Nadlinger。
研究人员解释说：“服务器中相干时间超过10秒的内存量子比特的可用性使客户端能够通过调整偏振分析仪在计算过程中的基础，对从服务器获得的中间结果做出实时反应。
“结合确定性地纠缠服务器中的量子比特的能力，每一次计算尝试都会确定性地成功，不需要后选择。
研究人员对盲验证协议的演示可能很快为基于云的量子计算服务的实施开辟了新的可能性。由于量子计算机是难以大规模部署的先进技术，因此其可靠的远程操作很可能是在短期内实现其广泛使用的最可行途径。
“我们的实验表明，量子计算客户如何私密、安全地访问远程量子计算机的处理能力，”Drmota说。“使用来自家庭的量子链接，通过一个简单的测量设备，所有处理的数据和算法本身都可以受到量子力学定律的保护。此外，我们还展示了客户端如何验证从服务器获得的结果是否正确。
Drmota及其合作者最近的工作是对快速发展的量子计算领域的重大贡献。其他研究团队可能很快会从他们提出的方法中汲取灵感，这可能会导致进一步的提议和发展。
“从技术角度来看，连接三个不同的量子比特，一个光子，一个钙离子和一个锶离子，是具有挑战性的，并且具有显着的实验复杂性，”研究人员说。
“我们设法结合了所有必要的工具，在现实环境中实现盲目量子计算，其中所有客户端的硬件都独立于服务器进行控制，并且计算是通过经典信息的实时前馈执行的，而量子信息则存储在内存量子比特上。”
在他们的下一个研究中，Drmota和他的合作者计划继续建立他们的系统。例如，他们可以扩展他们的方法以执行更大的计算，使用先前提出的可以升级的系统（即增加内存量子比特的数量和本地操作的保真度）。
“服务器和客户端之间的距离也可以扩展到城市规模的网络，使用经过验证的技术将光子转换为电信波长，”Araneda补充道。
“此外，还可以通过使用光开关来增加客户端的数量，将量子处理器发射的光子路由到不同的客户端。我们将与Elham Kashefi教授和英国国家量子计算中心合作，探索未来在不同实验平台上验证量子计算的途径，这些平台允许最先进的噪声水平。
更多信息：P. Drmota 等人，Verifiable Blind Quantum Computing with Trapped Ions and Single Photons，Physical Review Letters （2024）。DOI： 10.1103/PhysRevLett.132.150604
期刊信息： Physical Review Letters