Kan en klassisk computer fortælle, om en kvantecomputer taler sandt? – Fysik verden

Kan en klassisk computer fortælle, om en kvantecomputer taler sandt? – Fysik verden

Tidsstempel: 11. marts 2024 kl. 5:30


Foto af ionfælden brugt i eksperimentet, taget gennem en port på vakuumsystemet
Kvanteverifikation: Den fangede-ion kvantecomputer, der blev brugt i eksperimentet. (Med høflighed: C Lackner/UIBK)

Kvantecomputere kan løse problemer, der ville være umulige for klassiske maskiner, men denne evne kommer med en advarsel: Hvis en kvantecomputer giver dig et svar, hvordan ved du, at det er korrekt? Dette er især presserende, hvis du ikke har direkte adgang til kvantecomputeren (som i cloud computing), eller du ikke stoler på den person, der kører den. Du kunne selvfølgelig verificere løsningen med din egen kvanteprocessor, men ikke alle har en ved hånden.

Så er der en måde for en klassisk computer til at kontrollere resultatet af en kvanteberegning? Forskere i Østrig siger, at svaret er ja. Ved at arbejde på universitetet i Innsbruck, det østrigske videnskabsakademi og Alpine Quantum Technologies GmbH udførte holdet eksperimentelt en proces kaldet Mahadevs protokol, som er baseret på såkaldte post-kvante-sikre funktioner. Disse funktioner involverer beregninger, der er for komplekse til, at selv en kvantecomputer kan knække, men med en "fældedør", der gør det muligt for en klassisk maskine med den korrekte nøgle at løse dem nemt. Holdet siger, at disse falddørsberegninger kunne verificere troværdigheden af ​​en kvanteberegning ved kun at bruge en klassisk maskine.

Ærlig Bob?

For at forstå, hvordan protokollen fungerer, antag, at vi har to parter. En af dem, traditionelt kendt som Alice, har fældelågeinformationen og ønsker at verificere, at en kvanteberegning er korrekt. Den anden, kendt som Bob, har ikke fældelågeinformationen og skal bevise, at beregningerne på hans kvantecomputer kan stole på.

Som et første skridt forbereder Alice en specifik opgave, som Bob skal håndtere. Bob rapporterer derefter resultatet til Alice. Alice kunne selv bekræfte dette resultat med en kvantecomputer, men hvis hun vil bruge en klassisk, skal hun give Bob yderligere information. Bob bruger denne information til at sammenfiltre flere af sine vigtigste kvantebits (eller qubits) med yderligere. Hvis Bob udfører en måling på nogle af qubits, bestemmer dette tilstanden af ​​de resterende qubits. Mens Bob ikke kender tilstanden af ​​qubits forud for målingerne, gør Alice det takket være hendes falddørsberegninger. Det betyder, at Alice kan bede Bob om at verificere qubits' tilstand og afgøre, baseret på hans svar, om hans kvantecomputer er troværdig.

Lettede Alice

Holdet kørte denne protokol på en kvanteprocessor, der bruger otte fangede 40Ca+ ioner som qubits. De målinger Bob foretager vedrører energien af ​​qubits' kvantetilstande. For at opnå et signal over baggrundsstøj kørte forskerne protokollen 2000 gange for hvert datapunkt, hvilket i sidste ende beviste, at man kunne stole på Bobs svar.

Forskerne kalder deres demonstration et proof of concept og erkender, at der skal mere arbejde til for at gøre det praktisk. Derudover ville en fuld, sikker verifikation kræve mere end 100 qubits, hvilket er uden for rammerne for de fleste af nutidens processorer. Ifølge Barbara Kraus, en af ​​teamets ledere og nu en kvantealgoritmeekspert ved det tekniske universitet i München, Tyskland, var selv den forenklede version af protokollen udfordrende at implementere. Dette skyldes, at verificering af output fra en kvanteberegning eksperimentelt er meget mere krævende end at udføre beregningen, da det kræver at vikle flere qubits.

Ikke desto mindre indeholder den demonstrerede protokol alle de trin, der er nødvendige for en komplet verifikation, og forskerne planlægger at udvikle den yderligere. "En vigtig opgave vedrørende verifikation af kvanteberegninger og simuleringer er at udvikle praktiske verifikationsprotokoller med et højt sikkerhedsniveau," fortæller Kraus Fysik verden.

Andru Gheorghiu, en kvanteberegningsekspert fra Chalmers Tekniske Universitet i Sverige, som ikke var involveret i forskningen, kalder det et vigtigt første skridt mod at kunne verificere generelle kvanteberegninger. Han bemærker dog, at det i øjeblikket kun virker til at verificere en simpel én-qubit-beregning, der kunne gengives med en almindelig bærbar. Alligevel siger han, at det giver indsigt i udfordringerne ved at forsøge at skalere op til større beregninger.

Forskningen vises i Kvantevidenskab og -teknologi.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden