العلماء في فيزياء جامعة أكسفورد لقد حققوا تقدمًا كبيرًا في تطوير الأمن الكمي الذي يمكن أن يمهد يومًا ما الطريق أمام الناس لإطلاق العنان للقوة الحقيقية الاحصاء الكمية بأمان وأمان، بما في ذلك، في المنزل.
تم تطوير واختبار ما يسمى بنهج الحوسبة الكمومية العمياء في المملكة المتحدة من قبل فريق بقيادة مساعد أبحاث ما بعد الدكتوراه في الفيزياء بجامعة أكسفورد بيتر درموتا، استخدام المعالج الكمي الأيوني المحاصر.
يعد محاصرة الأيونات – حيث يتم حصر الجسيمات الذرية أو الأيونات المشحونة باستخدام المجالات الكهرومغناطيسية – أحد الأساليب العديدة المقترحة للحوسبة الكمومية واسعة النطاق، ويعتبر درموتا من بين عدد من العلماء الذين يعتقدون أن محاصرة الأيونات تحمل أكثر الوسائل المحتملة الواعدة لـ “القيام” بالحوسبة الكمومية.
وفي حديثه لمجلة Computer Weekly قبل نشر نتائج الفريق هذا الأسبوع، قال إنه بفضل التجارب التي أجريت في أكسفورد، قد يكون هذا المفهوم قد بدأ في التقدم في الميدان.
قال درموتا، الذي يصف الحوسبة الكمومية بأنها بعيدة كل البعد عن الحوسبة الكلاسيكية مثل الحوسبة الكلاسيكية عن المعداد: “نحن أول من جمع بين الحوسبة الكمومية والتشفير الكمي بطريقة قابلة للتطوير”.
الإمكانات التجارية هي ومن المعروف بالفعل أنها هائلةمع توقع أن يكون للحوسبة الكمومية تطبيقات في المجالات التي ستساعد البشرية على حل بعض أكبر التحديات في المائة عام القادمة، بدءًا من اكتشاف الأدوية، إلى مكافحة الفيروسات الجديدة، إلى تطوير وسائل تخفيف آثار انهيار المناخ.
“ولكن لإطلاق الإمكانات، نحتاج إلى التأكد من أن البيانات التي يرغب الأشخاص أو الشركات في معالجتها آمنة، وهنا يأتي دور الحوسبة الكمومية العمياء، لأنها لا تخفي البيانات فحسب، بل تخفي أيضًا الخوارزمية المستخدمة لتحليلها”. وأوضح درموتا: “معالجة البيانات من الخادم ومن أي متنصتين على طول الطريق”.
تم اختبار عدد قليل من النظريات العلمية بدرجة أكبر من الدقة العلمية من ميكانيكا الكم، ويعتمد النهج الأعمى على الحقيقة الثابتة المتمثلة في أن الأجسام الكمومية لا يمكن نسخها أو ملاحظتها دون تغيير حالتها.
ما يعنيه ذلك هو أنه إذا قام الجسم الكمي بتشفير البيانات، فلن يتمكن أحد من نسخها أو قراءتها دون إتلافها، ويمكن ملاحظة أي تدخل – في الواقع، أي تدخل سيؤدي إلى تدمير البيانات.
وقال درموتا: “هذا يحمي البيانات والحسابات بشكل أساسي”. “ولهذا السبب يطلق عليها اسم الحوسبة الكمومية العمياء، لأن الكمبيوتر الكمومي أعمى عن البيانات التي يعالجها.
“لن يتمكن أحد من التجسس على البيانات لأنها تبدو عشوائية بالنسبة لهم. يبدو عشوائيًا لأي شخص باستثناء العميل. وهذا هو جمال النهج. والعشوائية هنا ترجع إلى استخدامنا للتشفير الأكثر تقدمًا – وهذا هو لوحة وقت واحد، وهي الطريقة الأكثر أمانًا لإجراء التشفير. يمكن للعميل استخدام نظام التشفير هذا للحصول على أمان مثالي.
في التجارب، أنشأ درموتا وفريقه نظامًا يتكون من رابط شبكة ألياف عادي يربط خادم الحوسبة الكمومية وجهازًا بسيطًا تم إعداده للكشف عن جزيئات الضوء، أو الفوتونات، على جهاز كمبيوتر عميل مستقل يمكنه الوصول إلى الخادم عن بعد – عبر السحابة، في الأساس. وباستخدام مزيج فريد من الذاكرة الكمومية والفوتونات، تمكنوا بعد ذلك من اختبار النهج بنجاح عن طريق إجراء عدد من الحسابات عن بعد باستخدام عينة البيانات الموجودة على الخادم، دون رؤية الخادم لأي من البيانات في أي وقت.
وقال درموتا: “باستخدام الحوسبة الكمومية العمياء، يمكن للعملاء الوصول إلى أجهزة الكمبيوتر الكمومية عن بعد لمعالجة البيانات السرية باستخدام خوارزميات سرية، وحتى التحقق من صحة النتائج، دون الكشف عن أي معلومات مفيدة”.
يعد التحقق من نتائج معالجة البيانات أحد جوانب الحوسبة الكمومية العمياء التي يجدها درموتا مثيرة للاهتمام بشكل خاص.
“إذا كان لدينا حاسوب كمي قوي حقًا ونقوم بحل مشكلة لا يمكننا حلها بطريقة أخرى، فكيف يمكننا التحقق من صحة الحل، لأنه ليس لدينا وسيلة أخرى لحل المشكلة؟ وأوضح هنا أن جانب الحوسبة الكمومية الأعمى يأتي للإنقاذ، لأنه يمكننا الآن اختبار الكمبيوتر الكمي دون معرفة الكمبيوتر الكمي.
من خلال تبديل الحساب الفعلي مع الاختبارات التي لا يستطيع الكمبيوتر الكمي التمييز بينها بشكل كافٍ في كثير من الأحيان، يمكن لمعالج البيانات زيادة ثقته في صحة الحسابات، بالإضافة إلى كونها آمنة.
وأضاف: “إن تحقيق هذا المفهوم يعد خطوة كبيرة إلى الأمام في كل من الحوسبة الكمومية والحفاظ على معلوماتنا آمنة على الإنترنت”.
إنها البساطة النسبية طريقة الحوسبة الكمومية العمياء ويبدو أن هذا يحمل وعدًا كبيرًا للمستقبل. يبدو أن النهج الرائد في أكسفورد قابل للتطوير، ويتوقع الباحثون أن الإنجازات المستقبلية يمكن أن تشمل شبكات من الخوادم الكمومية المستضافة على السحابة والعملاء الموزعين، مع توجيه الفوتونات باستخدام المفاتيح الضوئية.
بالطبع، ستكون الخوادم الكمومية معقدة كما يجب أن تكون، ولكن كل شيء آخر موجود على الرفوف اليوم: أجهزة الكمبيوتر العميلة هي أجهزة كمبيوتر كلاسيكية وعادية؛ أجهزة كشف الفوتون رخيصة نسبيًا؛ وشبكات الألياف موجودة في كل مكان.
باختصار، قال الفريق، إن البحث يمهد الطريق لتفويض آمن للحسابات الكمومية السرية من عميل محدود الموارد إلى خادم كمي قادر تمامًا ولكنه غير موثوق به، مما ينقل قوة الحوسبة الكمومية بأمان إلى نقطة نهاية عادية. قد يكون عصر الحوسبة الكمومية وعصر القوى العاملة الهجينة على وشك التصادم.
تم دعم البحث بتمويل من مركز الحوسبة الكمومية والمحاكاة في المملكة المتحدة (QCS). والعلماء من المركز الوطني للحوسبة الكمومية, جامعة باريس السوربون، ال جامعة ادنبرة و ال جامعة ماري لاند في الولايات المتحدة. يتم نشر الدراسة الكاملة في المجلة رسائل المراجعة البدنية.
