Kuantum mekaniksel etkilerden yararlanarak bilgiyi işleyen makineler olan kuantum bilgisayarlar, bazı optimizasyon görevlerinde ve hesaplamalarda klasik bilgisayarlardan daha iyi performans gösterebilir. Potansiyellerine rağmen kuantum bilgisayarların hatalara açık olduğu ve hesaplama yapma yeteneklerinin gürültüden kolayca etkilendiği biliniyor.
Kuantum bilim insanları ve mühendisleri bu nedenle kuantum bilgisayarların bilgiyi doğru şekilde hesaplayıp hesaplamadığını kontrol etmek için tasarlanmış araçlar olan doğrulama protokolleri geliştiriyorlar. İdeal durumda bu protokoller aynı zamanda kriptografik güvenlik de sağlamalıdır; yani bilgisayarlar tarafından işlenen bilgilerin kötü niyetli kullanıcılar tarafından değiştirilemeyeceğini veya değiştirilemeyeceğini garanti etmelidir.
Sorbonne Üniversitesi, Edinburgh Üniversitesi ve Quantinuum’daki araştırmacılar yakın zamanda kuantum bilgisayarlar için çip üzerinde kriptografik olarak güvenli yeni bir doğrulama protokolünü tanıttı. Yeni protokol, yayınlanan bir makalede özetlenmiştir. Fiziksel İnceleme MektuplarıQuantinuum’un H1-1 kuantum işlemcisine başarıyla yerleştirildi.
Makalenin yazarı Cica Gustiani, CEİD’a şöyle konuştu: “Bu proje, Sorbonne Üniversitesi, Edinburgh Üniversitesi’ndeki Quantum Software Lab ve Quantinuum arasındaki işbirliğiyle başladı.”
“Çoğumuz, güvenlik ve doğrulamayı garanti eden ölçüm tabanlı kuantum hesaplama ve kriptografik protokoller üzerinde çalışan teorisyenleriz. Yıllardır güçlü teorik sonuçlar elde ettik, dolayısıyla doğal olarak bunların gerçek donanım üzerinde nasıl performans gösterdiğini görmek istedik ve Quantinuum ile yaptığımız işbirliği, bunun gerçekleşmesi için mükemmel bir fırsat sundu.”
Cica teorik bir fizikçidir, ancak yıllar içinde teorileri test edilebilir kavramlara dönüştürmek için birkaç deneyciyle işbirliği yaptı. Son çalışmasının amacı kuantum hesaplama platformunda yeni bir doğrulama protokolünü test etmekti.
Cica, “Önce protokolümüzün teorik gereksinimlerini belirledik, ardından onu Quantinuum’un H1-1 makinesine göre uyarladık” dedi. “Kapılarının doğruluğundan ve ölçümlerinden ve cihaza ne kadar kolay erişebildiğimizden gerçekten etkilendim. Tuzaktaki mevcut 20 iyondan ölçülen iyonları yeniden kullanarak, cihazı beklediğimizden daha ileriye (52 düğüme kadar) ittik.”
Gerçek donanımda güvenli kuantum doğrulaması
Ekibin son çabalarının temel hedefi, kriptografik olarak güvenli ve NISQ dostu bir doğrulama protokolü geliştirmekti; bu, bunun günümüzde mevcut olan kuantum hesaplama sistemlerine başarılı bir şekilde uygulanabileceği anlamına geliyor.
Quantinuum’da araştırmacı ve makalenin ortak yazarı Dan Mills, “Quantinuum’un makineleri büyüdükçe, çıktılarını klasik simülasyonlarla karşılaştırma yoluyla doğrulamak imkansız hale geliyor” dedi.
“Bu kesinlikle Helios ve QPU’larımızın sonraki nesilleri için geçerli olacaktır. Bu nedenle, çıktılara belirli bir düzeyde güven garanti edebilmemiz bizim ve kullanıcılarımız için önemlidir. Doğrulama, bunu yapmanın iyi belirlenmiş bir yoludur, ancak şu ana kadar nispeten teorik ve soyut bir alandır. Bu işbirliği, makinelerimize özel, pratik bir doğrulama protokolü geliştirmek için teori ile donanım arasındaki boşluğu doldurmayı amaçlıyordu.”
Son birkaç yılda araştırmacılar kuantum hesaplama için çeşitli doğrulama protokollerini tanıttılar. Ancak bu çözümlerin çoğu doğası gereği yalnızca teorikti ve mevcut kuantum işlemcilere uygulanamaz.
Cica, “Basit bir ifadeyle kuantum bilgisayarların doğruyu söylediklerini kanıtlamalarını sağlamaya çalıştık” dedi. “Genellikle iki cihaz arasında iletişim gerektiren bir kriptografik doğrulama protokolü aldık ve tamamen tek bir çip üzerinde çalışmasını sağladık. Buradaki fikir, donanım gürültülü veya kusurlu olsa bile, yerleşik testler ve rastgelelik yoluyla yine de kendi sonuçlarını doğrulayabilmesidir.”
Geçmişte tanıtılan diğer protokollerle benzerliğine rağmen ekibin yaklaşımı, çip üzerinde doğrulamayı mümkün kılan ilk yaklaşımlar arasında yer alıyor. Bu, hesaplamaları çapraz kontrol etmek için diğer harici sistemleri veya iki farklı işlemciyi gerektiren mevcut diğer araçlarla tam bir tezat oluşturuyor.
Cica, “Örneğin, Google’ın son Quantum Echoes deneyinde sonuçların çapraz kontrolü için iki ayrı kuantum işlemci kullanıldı” dedi. “Bu güçlü bir tutarlılık testi olsa da bizim yöntemimiz bir adım daha ileri gidiyor: cihaz, ikinci bir makineye ihtiyaç duymadan kendini doğruluyor.
“Bu, yalnızca bugün sahip olduğumuz teknolojiyi kullanarak kendi sonuçlarını gerçek zamanlı olarak onaylayabilen kuantum bilgisayarlara doğru atılmış bir adım.”
Protokolün arkasındaki anahtar fikir
Cica ve meslektaşları tarafından geliştirilen doğrulama yaklaşımı, daha önce tanıtılan ve başlangıçta istemci-sunucu kurulumunda kullanılmak üzere tasarlanan bir protokole dayanıyor. Bu, bir müşterinin (örneğin Alice) kuantum hesaplamalarını daha güçlü bir sunucuya (örneğin Bob) devretmek istediği bir senaryodur.
Cica, “Buradaki fikir, Alice’in Bob’a hiç güvenmek zorunda olmaması. Ona talimatlar gönderiyor ama aynı zamanda hesaplamada rastgele ‘tuzaklar’ da saklıyor” dedi. “Bob’un yanıtlarına bakarak, daha sonra hesaplamayı dürüst bir şekilde yapıp yapmadığını kontrol edebilir, üstelik gerçek hesaplamanın ne olduğunu açıklamadan.”
Araştırmacılar, çalışmalarının bir parçası olarak aynı fikri, doğrulamanın doğrudan çip üzerinde gerçekleştirildiği tamamen farklı bir senaryoya uyguladılar. Bu, hesaplamaları ‘güvenilmeyen’ bir sunucuya devretmek yerine kuantum bilgisayarın kendisinin ‘güvenilmeyen’ taraf olarak değerlendirildiği anlamına gelir.
Cica, “‘Kötü niyetli’ davranış artık donanım gürültüsünden veya yanlış kalibrasyondan, diğer bir deyişle cihazın kusurlarından kaynaklanıyor” dedi. “Protokol, test çalıştırmalarını ve hesaplama çalıştırmalarını rastgele karıştırarak çalışıyor. Test çalıştırmalarından, hesaplama sonuçlarına güvenip güvenmeyeceğimize istatistiksel olarak karar verebiliyoruz.”
Ekibin protokolünün en dikkate değer avantajı, gerçek dünya ortamlarında kurulması zor olan kuantum ağına olan ihtiyacı ortadan kaldırmasıdır. Bunun yerine, orta devre ölçümleri, uyarlanabilir işlemler ve tek tip kübitler gibi bireysel işlemcilerin yeteneklerine dayanır.
Kuantum işlemci üzerinde ilk test
Cica, Mills ve meslektaşları, Quantinuum’da geliştirilen bir kuantum işlemcisi olan H-1 tuzaklı iyon cihazında kriptografik doğrulama protokollerinin potansiyelini gösterdiler.
Cica, “Protokolümüzü testler ve gerçek hesaplamalar arasında rastgele geçiş yaparak çalıştırdık ve sonuçları doğrulamak için test turlarından elde edilen verileri kullandık” dedi. “Ayrıca, söz konusu cihaz ve kübit sayısı için doğrulamamızdan ne kadar emin olabileceğimizi ölçmek için küçük bir kalibrasyon adımı (tek kübitli tomografi) gerçekleştirdik.”
Araştırmacılar, protokolleriyle bugüne kadarki en büyük ölçüm tabanlı kuantum hesaplamasını (yani 52 dolaşmış kübit veya düğüm içeren bir grafik durumu) doğrulayabildiler. Bu umut verici sonuç, kuantum bilgisayarlara henüz tam anlamıyla güvenilemese bile bazı tekniklerin, hesaplama sonuçlarının doğru olup olmadığını güvenli bir şekilde belirlemeye yardımcı olabileceğini gösteriyor.
Cica, “Bugünün teknolojisini kullanarak gerçek donanıma tamamen doğrulanmış bir kuantum hesaplaması getirdik” dedi. “Protokolü 52 düğüme (şu ana kadar doğrulanmış en büyük ölçüm tabanlı kuantum hesaplaması) ölçeklendirdik ve kriptografiden ilham alan doğrulamanın yakın vadeli cihazlarda zaten çalışabildiğini gösterdik. Gelecekte, kuantum bilgisayarlar klasik simülasyonlarla çapraz kontrol yapılamayacak kadar büyük olduğunda, bu tür yerinde sertifikasyon çok önemli olacak; hesaplamayı çalıştırırken sonuca güvenilip güvenilemeyeceğini bilmenizi sağlar.”
Protokol için sonraki adımlar
Cica ve meslektaşları tarafından geliştirilen kriptografik doğrulama protokolü yakında geliştirilip daha fazla değerlendirilebilir. Araştırmacılar artık protokolü hataya dayanıklı mimarilerle uyumlu hale getirmeye ve daha gerçekçi gürültü modelleriyle çalışmasını sağlamaya çalışıyor.
Cica, “Protokol zaten çoğu kuantum kanalını kapsayan ve verimli bir şekilde simüle edilebilen çok genel bir varsayımla (Markovian gürültüsü) çalışıyor” dedi. “Ancak gerçek cihazlar, hataların hafızaya sahip olduğu Markovian olmayan etkileri de gösterebilir ve bu, pek çok açık zorluğun bulunduğu aktif bir araştırma alanıdır.”
Makalenin yazarları artık güven sınırlarını da sıkılaştırmaya çalışıyor; çünkü bu, belirli gürültü seviyelerinin varlığında kendi protokolleri tarafından güvenilir bir şekilde doğrulanabilecek kübit veya düğüm sayısını tahmin etmelerine olanak tanıyacak. Uzun vadeli hedefleri, doğrulamanın kolayca ölçeklendirilebilmesini ve farklı donanım sistemlerine uyarlanabilmesini sağlayarak hataya dayanıklı ve güvenli kuantum hesaplamayı mümkün kılmaktır.
Mills, “Bu proje, mevcut donanım üzerinde çalıştırılabilen yeni bir aracın heyecan verici bir gösterimi oldu” diye ekledi. “Quantinuum’da yol haritamızı geliştirmeye devam ederken, bu araçları cihazlardaki yeni işlevlere ve kullanıcıların yeni taleplerine uyarlamaya devam edeceğiz.
“Özellikle, hataya dayanıklı yeteneklerimizi her yeni makine nesliyle geliştirmeye devam ediyoruz. Bu doğrulama tekniklerini hata algılama ve düzeltme kodlarıyla birlikte kullanılacak şekilde uyarlamak önemlidir ve yeni zorluklar sunar, ancak bunu sabırsızlıkla bekliyoruz.”
Sizin için yazarımız Ingrid Fadelli tarafından yazılan, Gaby Clark tarafından düzenlenen ve Robert Egan tarafından gerçekleri kontrol edilen ve gözden geçirilen bu makale, insanların dikkatli çalışmasının sonucudur. Bağımsız bilim gazeteciliğini canlı tutmak için sizin gibi okuyuculara güveniyoruz. Bu raporlama sizin için önemliyse lütfen bağış yapmayı düşünün (özellikle aylık). Bir alacaksın reklamsız bir teşekkür olarak hesaplayın.
