Kan en klassisk datamaskin fortelle om en kvantedatamaskin forteller sannheten? – Fysikkverden

Kvantedatamaskiner kan løse problemer som ville være umulige for klassiske maskiner, men denne evnen kommer med et forbehold: hvis en kvantedatamaskin gir deg et svar, hvordan vet du at det er riktig? Dette er spesielt presserende hvis du ikke har direkte tilgang til kvantedatamaskinen (som i cloud computing), eller du ikke stoler på personen som kjører den. Du kan selvfølgelig verifisere løsningen med din egen kvanteprosessor, men ikke alle har en for hånden.

Så er det en måte for en klassisk datamaskin for å verifisere utfallet av en kvanteberegning? Forskere i Østerrike sier svaret er ja. Arbeidet ved Universitetet i Innsbruck, det østerrikske vitenskapsakademiet og Alpine Quantum Technologies GmbH, utførte teamet eksperimentelt en prosess kalt Mahadevs protokoll, som er basert på såkalte post-kvantesikre funksjoner. Disse funksjonene involverer beregninger som er for komplekse til at selv en kvantedatamaskin kan sprekke, men med en "felledør" som lar en klassisk maskin med riktig nøkkel løse dem enkelt. Teamet sier at disse falllukeberegningene kan bekrefte påliteligheten til en kvanteberegning ved bruk av bare en klassisk maskin.

Ærlig Bob?

For å forstå hvordan protokollen fungerer, anta at vi har to parter. En av dem, tradisjonelt kjent som Alice, har falllukeinformasjonen og ønsker å verifisere at en kvanteberegning er riktig. Den andre, kjent som Bob, har ikke falllukeinformasjonen, og må bevise at beregningene på kvantedatamaskinen hans kan stole på.

Som et første skritt forbereder Alice en spesifikk oppgave som Bob skal håndtere. Bob rapporterer deretter utfallet til Alice. Alice kunne bekrefte dette resultatet selv med en kvantedatamaskin, men hvis hun vil bruke en klassisk, må hun gi Bob ytterligere informasjon. Bob bruker denne informasjonen til å vikle flere av sine viktigste kvantebiter (eller qubits) med flere. Hvis Bob utfører en måling på noen av qubitene, bestemmer dette tilstanden til de gjenværende qubitene. Mens Bob ikke vet tilstanden til qubitene i forkant av målingene, gjør Alice det, takket være sine falllukeberegninger. Dette betyr at Alice kan be Bob om å verifisere qubitenes tilstand og avgjøre, basert på svaret hans, om kvantedatamaskinen hans er pålitelig.

Lettet Alice

Teamet kjørte denne protokollen på en kvanteprosessor som bruker åtte fanget ⁴⁰Ca⁺ ioner som qubits. Målingene Bob gjør er relatert til energien til qubitenes kvantetilstander. For å få et signal over bakgrunnsstøy, kjørte forskerne protokollen 2000 ganger for hvert datapunkt, og beviste til slutt at Bobs svar kunne stoles på.

Forskerne kaller demonstrasjonen deres et proof of concept og erkjenner at det kreves mer arbeid for å gjøre det praktisk. I tillegg vil en fullstendig, sikker verifisering kreve mer enn 100 qubits, noe som er utenfor rekkevidden for de fleste av dagens prosessorer. I følge Barbara Kraus, en av teamets ledere og nå en kvantealgoritmeekspert ved det tekniske universitetet i München, Tyskland, var selv den forenklede versjonen av protokollen utfordrende å implementere. Dette er fordi å verifisere utdataene fra en kvanteberegning eksperimentelt sett er mye mer krevende enn å gjøre beregningen, siden det krever sammenfiltring av flere qubits.

Ikke desto mindre inneholder den demonstrerte protokollen alle trinnene som kreves for en fullstendig verifisering, og forskerne planlegger å utvikle den videre. "En viktig oppgave angående verifisering av kvanteberegninger og simuleringer er å utvikle praktiske verifikasjonsprotokoller med høyt sikkerhetsnivå," forteller Kraus Fysikkens verden.

Andru Gheorghiu, en kvanteberegningsekspert fra Chalmers tekniska universitet i Sverige som ikke var involvert i forskningen, kaller det et viktig første skritt mot å kunne verifisere generelle kvanteberegninger. Han bemerker imidlertid at det foreløpig bare fungerer for å verifisere en enkel, én-qubit-beregning som kan reproduseres med en vanlig bærbar PC. Likevel sier han at det gir innsikt i utfordringene ved å prøve å skalere opp til større beregninger.

Forskningen vises i Kvantevitenskap og teknologi.

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk deg selv. Tilgang her.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• PlatoESG. Karbon, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Avfallshåndtering. Tilgang her.
• PlatoHelse. Bioteknologisk og klinisk etterretning. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/can-a-classical-computer-tell-if-a-quantum-computer-is-telling-the-truth/