隐私问题成远程量子计算最大障碍,新加坡科学家十余年研究出“盲量子计算”有望破困局

DeepTech深科技 2017-07-16 21:47 阅读:714


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量子计算已经进入了加速发展期,科技巨头如 Google 和 IBM 正在大力研发通用量子计算机,这种计算机可以轻松处理并分析百万级别的案例和数据,就连如今最快的超级计算机,也难望其项背。而除此以外,有些公司已经在尝试开放量子计算(处理器)的远程控制权,这也就意味着,在未来,人们不需要拥有一台量子计算机也可以安全地进行远程量子计算。

一直以来,大部分研究人员都质疑远程执行量子计算的安全性,除非远程用户自己也拥有量子计算机,否则其运算步骤很容易泄露。最近,新加坡和澳大利亚研究团队在7月11号的期刊《Physical Review X》上发表了一篇论文,向这种质疑声发出挑战。

新加坡国立大学(National University of Singapore)量子技术中心的理论物理学家 Joseph Fitzsimons 表示,“坦白地说,我们都觉得不可思议。已经有很多实验结果都说明了一个普通用户是很难保证他所委托执行的量子计算任务是完全保密的。恰恰相反,在远程运算过程中,任何有意义的信息都会暴露则更是司空见惯的事情。”

图丨新加坡国立大学理论物理学家 Joseph Fitzsimons

量子计算主要依靠量子位(qubits)的特质:量子位有别于普通计算机的二进制计算单元(0或者1),它可以同时处于 0 和 1 的状态(叠加态)。这意味着量子位可以同时表示并处理多重状态,效率远远超过普通计算单元。为此,研究团队采用了一个叫做“基于测量的量子计算(measurement-based quantum computing)”的特定方法,这个方法可以帮助用户隐藏他们的量子计算信息。

实现“基于测量的量子计算”方法时,一个量子计算机首先要将所有的量子位置于特定的量子纠缠(quantum entanglement)状态下,在这个状态下改变任意一个量子位,都会影响到其余所有的量子位。其次,由量子计算机指定程序,生成一个特定顺序,按照这个顺序逐个测量每一个量子位。远程用户可以指挥测量量子位的每一个步骤,量子位的测量可以加密输入的数据和正在运行的程序。至关重要的是,每一个测量都取决于上一个测量的结果。

Fitzsimons 和他的同事找到了如何利用这个逐步式的方法来进行量子计算,最终开发出了一个新的“盲量子计算(blind quantum computation)”的安全模式他们展示了远程用户通过普通电脑在不透露真实意图的情况下,一步一步地使用量子计算机成功进行计算的。也就是说,量子计算机的拥有者即便通过搜集量子位的输入、操作、输出,也无法掌握量子位的作用、测量步骤的细节和计算的最终目的。

这项发现颠覆了之前的观点:普通计算机用户在远程使用量子计算服务时,无法保证自身数据的隐秘性和安全性。Fitzsimons 表示,他的研究团队在测试这个方法的安全性时,得到了积极可靠的实验结果,而且这套“流程模糊效果(flow ambiguity effect)”操作起来并不困难。

Fitzsimons 解释道:“曾经有研究结果表明,如果用户拥有一种可以测量量子态(quantum state)的小型量子设备,那么他就有可能完全隐藏量子计算。然而对于没有量子设备用户的研究,则一直以来都没有任何解决办法。我们现在发明的这个方法允许任何一个普通计算机用户,在远程使用量子计算机时隐藏他们的计算和数据,就像通过互联网访问一个设备一样简单方便。

这项研究可以说是人类普及安全量子云计算所迈出的一大步,也是 Fitzsimons 十数载春夏秋冬潜心研究“盲量子计算(blind quantum computation)”的结果。研究团队收到了很多机构直接和间接的科研资助,其中包括美国空军科学研究办公室(U.S. Air Force Office of Scientific Research),澳大利亚研究理事会(Australian Research Council),美国国防高级研究计划局(U.S. Defense Advanced Research Projects Agency),和新加坡国家研究基金会(Singapore National Research Foundation)。 

当然,在真正运用“盲量子计算”技术之前,还有一些重要的问题要解决。例如,从理论上来讲,最新的研究仅仅证明了,在“没有预先知晓任何信息”的情况下,一个量子计算机大概率不会分辨出计算的步骤和意图。可是一旦量子计算机获得了大量的信息,而这些信息与其正在进行的运算相关联,它有没有可能通过关联起这些运算信息来找出用户的步骤和数据呢?Fitzsimons 和他的同事正在准备类似的实验和研究,希望能从中得到答案。

另外一个有趣的问题也随之而来,这个方法可不可以帮助普通电脑用户证实远程量子计算的准确程度?Fitzsimons 表示,“这意味着我们可以在主量子计算过程中,嵌入隐藏的测试运算,这样就可以检测到是否有可疑的,或者有缺陷的量子计算机,导致了(计算)偏差。”如果这真方法的可行,那么 Google 和 IBM 等公司就可以向人们提供既安全又准确的量子云计算服务了。

图丨IBM 的量子计算机

“随着越来越多的公司开始尝试通过互联网提供量子计算(处理器)服务,量子通讯时代的到来也是迟早的事,那么在那一天到来之前,用户最关心的自然是他们的信息和数据究竟安不安全。”Fitzsimons 总结道。

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