Физики впервые провели квантовые облачные вычисления

Новый опыт показал, что квантовые компьютеры, находящиеся в разных местах, можно совершенно безопасно (в плане защиты информации) соединять и использовать как «облако», причём результат вычислений будет доступен только инициатору расчётов.

Множество различных связанных состояний фотонов может использоваться для проведения распределённых вычислений, доказали исследователи (иллюстрация Equinox Graphics).

Распределённые и облачные вычисления при помощи обычных компьютеров давно используются для обработки больших массивов данных и для организации сервисов.

Но до сих пор под вопросом оставалась возможность создания аналогичных сетей из квантовых компьютеров. Ответ был неочевиден ввиду специфики квантовых вычислений. Требовался опыт.

Квантовые компьютеры в теории должны обладать существенно большей скоростью вычислений (для ряда задач), чем обычные машины. Всё дело в использовании явлений квантовой физики (суперпозиции состояний, квантовой неопределённости, квантовой телепортации…). Однако пока такие системы только начинают выходить за стены лабораторий (фото Erik Lucero).

Антон Цайлингер (Anton Zeilinger) из университета Вены и международная команда физиков совместили в одной установке квантовый компьютер и систему квантовой криптографии, выполнив то, что авторы исследования назвали «слепыми квантовыми вычислениями» (Blind Quantum Computing).

Принцип их заключается в том, что некий пользователь, обладая квантовым компьютером, возлагает часть работы на сторонний аппарат (условно — квантовый сервер), при этом последний выполняет необходимые операции, не имея самих данных, не зная, по сути, ни какова общая задача, ни что он в данный момент делает.

Сторонний квантовый компьютер из «облака» приготавливает кластер из квантово запутанных кубитов, в свою очередь состоящий из меньших кластеров (серые прямоугольники), но он не знает – что всё это означает (иллюстрация Stefanie Barz et al./ Science).

Для реализации такого «делегирования полномочий» у первого человека должно быть оборудование для приготовления кубита в определённом состоянии (в данном случае физики манипулировали единичными фотонами с разной поляризацией) и отправки его на другой компьютер.

Судя по результатам предыдущих опытов, для такой переправки на некое разумное расстояние вполне можно использовать то же оптоволокно, что применяется для переправки обычных цифровых данных в Интернете.

Вместе с кубитами в Сеть посылаются инструкции по их преобразованию. Второй аппарат запутывает полученные фотоны (состояние каждого ему неизвестно, ведь при попытке его измерить он изменит частицу), выполняет над ними манипуляции по заданным правилам и отсылает результат (изменённые кубиты) обратно по оптоволокну.

Только первый пользователь может интерпретировать полученные данные, ведь только он и знает начальные состояния отправленных частиц.

Как наглядно объясняет BBC News, к примеру, человек желает найти все пары чисел, которые при перемножении дают 2012.

Само это число знает только постановщик задачи, а для стороннего компьютера, рекрутированного для выполнения алгоритма поиска, инструкции выглядят бессмысленным набором чисел, с которыми нужно выполнить некие действия.

«Квантовый компьютер не различает, например, расшифровал ли он некий код или искал записи в телефонной книге», — поясняет один из авторов работы Стефани Барц (Stefanie Barz).

В результате проведенного опыта учёные показали, как можно вслепую выполнять ряд квантовых алгоритмов (в частности, алгоритм Гровера).

После того как квантовые компьютеры будут в полной мере отработаны и появятся во множестве институтов, а потом и в домах, принцип распределённых расчётов вслепую, апробированный Стефани, Антоном и их коллегами, позволит неограниченно наращивать мощность квантовых систем, просто соединяя отдельные машины через оптоволоконную сеть.

(Подробности опыта можно найти в статье в Science.)