Cercetătorii au realizat o descoperire majoră în calculul cuantic: aleatorietatea autentică, un proces în care un computer cuantic generează numere cu adevărat aleatorii, care sunt apoi dovedite a fi cu adevărat aleatorii de către supercalculatoarele clasice anunță scitechdaily.
Această inovație are implicații profunde pentru criptografie, etică și securitate și marchează o trecere de la potențialul teoretic la aplicațiile practice, în lumea reală, ale avantajului cuantic.
Într-un nou studiu publicat în Nature, cercetătorii de la JPMorganChase, Quantinuum, Laboratorul Național Argonne, Laboratorul Național Oak Ridge și Universitatea din Texas din Austin raportează un moment definitoriu în calculul cuantic, cu implicații promițătoare pentru criptografie, confidențialitatea datelor și etică.
Folosind un computer cuantic de 56 de qubiți, echipa a demonstrat cu succes caracterul aleatoriu autentic pentru prima dată. Acest proces implică generarea de numere aleatorii pe un computer cuantic și apoi utilizarea unui supercomputer clasic pentru a verifica dacă numerele sunt cu adevărat aleatorii și nou produse. Realizarea reprezintă un pas concret către utilizarea computerelor cuantice pentru sarcini practice care sunt în prezent imposibile pentru sistemele clasice.
Teoria protocolului aleatoriu autentic a fost prezentată inițial de Scott Aaronson, profesor de informatică la UT Austin și director al Centrului de informare cuantică. Aaronson și fostul său cercetător postdoctoral, Shih-Han Hung, au oferit fundația teoretică și sprijinul analitic pentru demonstrația experimentală.
„Când mi-am propus pentru prima dată studiul protocolul în 2018, habar nu aveam de cât timp ar trebui să aștept pentru a vedea o demonstrație experimentală a acestuia”, a spus Aaronson. „Construirea protocolului original și realizarea acestuia este un prim pas către utilizarea computerelor cuantice pentru a genera biți aleatorii autentici pentru aplicații criptografice reale.”
S-a demonstrat că calculatoarele cuantice posedă o putere de calcul mult peste cea oferită chiar și de cele mai puternice supercalculatoare clasice. Anul trecut, o echipă de la Quantinuum și JPMorganChase și o alta de la Google au anunțat fiecare că au efectuat sarcini pe computerele lor cuantice respective care ar fi fost imposibile cu supercalculatoarele existente, o performanță cunoscută sub numele de supremație cuantică. Cu toate acestea, transformarea acestei puteri în rezolvarea unei sarcini practice a rămas o provocare deschisă.
Această provocare a fost acum abordată prin utilizarea eșantionării aleatoare în circuite (RCS- random circuit sampling) pentru a genera numere autentic aleatorii. Aleatorietatea este o resursă esențială pentru multe aplicații în domenii precum criptografie, etică și confidențialitate.
Calculatoarele clasice singure nu pot genera numere cu adevărat aleatorii, așa că sunt de obicei combinate cu un generator hardware de numere aleatoare. Dar un adversar ar putea prelua controlul generatorului de numere aleatoare și îl poate folosi pentru a furniza computerului numere care nu sunt complet aleatorii, permițând adversarului să spargă apoi coduri criptografice. Folosind noua metodă descrisă aici, chiar dacă un adversar ar fi controlat computerul cuantic, teoretic ar fi imposibil pentru ei să manipuleze rezultatul și să fie totuși numere autentic aleatorii.
Accesând computerul cuantic cu ioni cu 56 de qubiți, model H2, de la distanță, prin internet, echipa a generat biți aleatorii autenticii. Mai exact, au efectuat un protocol de expansiune certificat aleatoriu bazat pe RCS, care produce mai multe numere aleatorii decât are ca input, ca intrare.
Protocolul constă din doi pași. În primul pas, echipa a alimentat în mod repetat probleme computerului cuantic pe care a trebuit să le rezolve rapid pe care nici cel mai puternic supercomputer clasic din lume nu le poate rezolva cu aceeași viteză și pe care computerul cuantic le poate rezolva doar prin alegerea uneia dintre numeroasele soluții posibile la întâmplare.
În al doilea pas, aleatorietatea a fost certificată matematic ca fiind autentică folosind supercalculatoarele clasice. De fapt, echipa a arătat că aleatorietatea nu poate fi imitată prin metode clasice. Folosind certificarea clasică pe mai multe supercalculatoare, cu o performanță susținută combinată de 1,1 x 1018 operațiuni în virgulă mobilă pe secundă (1,1 ExaFLOPS), echipa a certificat 71.313 biți de entropie.
„Această lucrare marchează o piatră de hotar majoră în calculul cuantic, demonstrând o soluție la o provocare din lumea reală folosind un computer cuantic dincolo de capacitățile supercalculatoarelor clasice de astăzi”, a declarat Marco Pistoia, șeful departamentului de cercetare aplicată în tehnologie globală și inginer distins, JPMorganChase. „Această dezvoltare a numerelor autentic aleatorii nu arată doar progrese în hardware-ul cuantic, dar va fi vitală pentru cercetări ulterioare, eșantionare statistică, simulări numerice și criptografie.”
În iunie 2024, Quantinuum și-a modernizat computerul cuantic System Model H2 la 56 de qubiți de ioni și, în parteneriat cu echipa de cercetare aplicată în tehnologie globală a JPMorganChase, a folosit acest sistem pentru a efectua RCS, o sarcină care a fost concepută inițial pentru a demonstra avantajul cuantic. H2 s-a îmbunătățit cu un factor de 100 față de stadiul actual al industriei, datorită fidelității sale ridicate și conectivității qubit all-to-all (qubiți interconectați fiecare la fiecare), ducând la concluzia că rezultatul nu ar fi putut fi obținut pe niciun computer clasic existent. Această actualizare, combinată cu protocolul lui Aaronson, a condus la descoperirea descrisă acum în Nature.
„Astăzi, sărbătorim o etapă esențială care aduce calculul cuantic ferm în domeniul aplicațiilor practice, din lumea reală”, a declarat Dr. Rajeeb Hazra, Președinte și CEO al Quantinuum. „Aplicația noastră de aleatorietate cuantică autentică nu numai că demonstrează performanța de neegalat a tehnologiei noastre cu ioni, dar stabilește un nou standard pentru furnizarea de securitate cuantică robustă și pentru a permite simulări avansate în industrii precum finanțele, producția și nu numai. La Quantinuum, conducem descoperiri de pionierat pentru a redefini industriile și a debloca întreg potențialul de calcul cuantic.”
„Aceste rezultate în calculul cuantic au fost permise de facilitățile de calcul ale Departamentului pentru Energie din SUA, lider mondial, de la Laboratorul Național Oak Ridge, Laboratorul Național Argonne și Laboratorul Național Lawrence Berkeley”, a declarat Travis Humble, director al Programului de Utilizatori de Calculare Cuantică și director al Centrului de Științe Cuantice, ambele la ORNL. „Asemenea eforturi de pionierat împing frontierele calculului și oferă informații valoroase asupra intersecției calculului cuantic și calculului de înaltă performanță.
