Các nhà khoa học tại Đại học Vật lý Oxford đã tạo ra một bước đột phá lớn trong việc phát triển an ninh lượng tử mà một ngày nào đó có thể mở đường cho mọi người giải phóng sức mạnh thực sự của điện toán lượng tử một cách an toàn và bảo mật, bao gồm cả trong nhà.
Cái gọi là phương pháp điện toán lượng tử mù được phát triển và thử nghiệm ở Anh bởi một nhóm do trợ lý nghiên cứu sau tiến sĩ Vật lý của Đại học Oxford dẫn đầu, Peter Drmota, sử dụng bộ xử lý lượng tử bẫy ion.
Bẫy ion – trong đó các hạt nguyên tử hoặc ion tích điện bị giam giữ bằng trường điện từ – là một trong nhiều phương pháp được đề xuất cho điện toán lượng tử quy mô lớn, và Drmota là một trong số các nhà khoa học tin rằng bẫy ion là phương tiện tiềm năng hứa hẹn nhất để bẫy ion. “làm” điện toán lượng tử.
Phát biểu với Computer Weekly trước khi công bố kết quả của nhóm trong tuần này, ông nói rằng nhờ các thí nghiệm được thực hiện tại Oxford, khái niệm này có thể bắt đầu vượt lên dẫn đầu trong lĩnh vực này.
Drmota, người mô tả điện toán lượng tử khác xa với điện toán cổ điển cũng như điện toán cổ điển từ bàn tính, cho biết: “Chúng tôi là những người đầu tiên kết hợp điện toán lượng tử với mật mã lượng tử theo cách có thể mở rộng”.
Tiềm năng thương mại được cho là vô cùng lớn, với điện toán lượng tử dự kiến sẽ có ứng dụng trong các lĩnh vực giúp nhân loại giải quyết một số thách thức lớn nhất trong 100 năm tới, từ phát minh thuốc, chống lại các loại virus mới, đến phát triển các biện pháp giảm thiểu biến đổi khí hậu. .
“Nhưng để giải phóng tiềm năng, chúng tôi cần đảm bảo dữ liệu mà mọi người hoặc công ty muốn xử lý được an toàn và đây là lúc điện toán lượng tử mù xuất hiện, vì nó không chỉ ẩn dữ liệu mà còn cả thuật toán được sử dụng để xử lý dữ liệu từ máy chủ và từ bất kỳ kẻ nghe trộm nào trên đường đi,” Drmota giải thích.
Rất ít lý thuyết khoa học đã được thử nghiệm ở mức độ chính xác khoa học cao hơn cơ học lượng tử và cách tiếp cận mù quáng dựa trên thực tế đã được chứng minh rằng các vật thể lượng tử không thể được sao chép hoặc quan sát mà không thay đổi trạng thái của chúng.
Điều đó có nghĩa là nếu đối tượng lượng tử mã hóa dữ liệu, không ai có thể sao chép hoặc đọc dữ liệu mà không làm hỏng dữ liệu và bất kỳ sự can thiệp nào cũng có thể được nhận thấy – thực sự, bất kỳ sự can thiệp nào cũng sẽ phá hủy dữ liệu.
Drmota cho biết: “Về cơ bản, điều đó bảo vệ cả dữ liệu và tính toán. “Đây là lý do tại sao nó được gọi là điện toán lượng tử mù, bởi vì máy tính lượng tử không biết được dữ liệu mà nó đang xử lý.
“Sẽ không ai có thể theo dõi dữ liệu vì nó thực sự có vẻ ngẫu nhiên đối với họ. Nó có vẻ ngẫu nhiên đối với bất kỳ ai ngoại trừ khách hàng. Đây là vẻ đẹp của cách tiếp cận này. Và tính ngẫu nhiên ở đây là do chúng tôi sử dụng mã hóa tiên tiến nhất – đó là bảng đệm một lần, đây là cách thực hiện mã hóa an toàn nhất. Khách hàng có thể sử dụng sơ đồ mã hóa này để bảo mật hoàn hảo.”
Trong các thí nghiệm, Drmota và nhóm của ông đã tạo ra một hệ thống bao gồm một liên kết mạng cáp quang thông thường kết nối máy chủ điện toán lượng tử và một thiết bị đơn giản được thiết lập để phát hiện các hạt ánh sáng hoặc photon tại một máy khách độc lập truy cập vào máy chủ từ xa – thông qua về cơ bản là đám mây. Bằng cách sử dụng sự kết hợp độc đáo giữa bộ nhớ lượng tử và photon, sau đó họ có thể thử nghiệm thành công phương pháp này bằng cách thực hiện từ xa một số tính toán bằng cách sử dụng dữ liệu mẫu trên máy chủ mà máy chủ không nhìn thấy bất kỳ dữ liệu nào tại bất kỳ thời điểm nào.
Drmota cho biết: “Sử dụng điện toán lượng tử mù, khách hàng có thể truy cập vào máy tính lượng tử từ xa để xử lý dữ liệu bí mật bằng các thuật toán bí mật và thậm chí xác minh kết quả là chính xác mà không tiết lộ bất kỳ thông tin hữu ích nào”.
Việc xác minh kết quả xử lý dữ liệu là một khía cạnh của điện toán lượng tử mù mà Drmota thấy đặc biệt thú vị.
“Nếu chúng ta có một máy tính lượng tử thực sự mạnh mẽ và chúng ta đang giải quyết một vấn đề mà chúng ta không thể giải quyết bằng cách khác, thì làm sao chúng ta có thể kiểm tra xem giải pháp đó có đúng hay không, bởi vì chúng ta không có cách nào khác để giải quyết vấn đề? Ở đây, khía cạnh điện toán lượng tử mù sẽ được giải cứu, bởi vì giờ đây chúng ta có thể kiểm tra máy tính lượng tử mà máy tính lượng tử không hề biết,” ông giải thích.
Bằng cách xen kẽ việc tính toán thực tế với các bài kiểm tra mà máy tính lượng tử không thể phân biệt đủ thường xuyên, bộ xử lý dữ liệu có thể tăng cường độ tin cậy của họ về độ chính xác của các phép tính, ngoài việc đảm bảo an toàn.
Ông nói thêm: “Việc hiện thực hóa khái niệm này là một bước tiến lớn trong cả điện toán lượng tử và giữ cho thông tin của chúng ta an toàn trực tuyến”.
Chính sự đơn giản tương đối của phương pháp tính toán lượng tử mù dường như mang lại nhiều hứa hẹn cho tương lai. Cách tiếp cận tiên phong tại Oxford dường như có khả năng mở rộng và các nhà nghiên cứu dự đoán rằng việc hiện thực hóa trong tương lai có thể bao gồm các mạng máy chủ lượng tử được lưu trữ trên đám mây và các máy khách phân tán, với các photon được định tuyến bằng các công tắc quang.
Tất nhiên, các máy chủ lượng tử sẽ phức tạp đến mức cần thiết, nhưng mọi thứ khác đều có sẵn ngày nay: máy tính khách là máy tính cổ điển, thông thường; máy dò photon tương đối rẻ; và mạng cáp quang có ở khắp mọi nơi.
Tóm lại, nhóm cho biết, nghiên cứu mở đường cho việc ủy quyền an toàn các phép tính lượng tử bí mật từ một khách hàng có nguồn lực tối thiểu đến một máy chủ lượng tử có đầy đủ năng lực nhưng không đáng tin cậy, mang lại sức mạnh của điện toán lượng tử một cách an toàn cho điểm cuối thông thường. Kỷ nguyên của điện toán lượng tử và kỷ nguyên của lực lượng lao động lai có thể sắp chạm trán nhau.
Nghiên cứu được hỗ trợ bởi sự tài trợ của Trung tâm Mô phỏng và Điện toán Lượng tử (QCS) của Vương quốc Anh và các nhà khoa học từ Trung tâm Máy tính Lượng tử Quốc gia, Đại học Paris-Sorbonne, Đại học Edinburgh và Đại học Maryland ở Hoa Kỳ. Nghiên cứu đầy đủ được công bố trên tạp chí Thư đánh giá thể chất.