A pesar de sus ventajas, la mayoría de los ordenadores cuánticos existentes todavía son accesibles a un número limitado de personas en todo el mundo. Por ello, los informáticos han estado intentando desarrollar enfoques que podrían facilitar su uso generalizado en el corto plazo, por ejemplo utilizando sistemas basados ​​en la nube que permitan el acceso remoto a servidores cuánticos.

Si bien los enfoques basados ​​en la nube podrían ampliar el acceso de las personas a la computación cuántica, también plantean importantes riesgos para la privacidad y la seguridad, ya que se podría acceder de forma maliciosa a la información y la actividad de los usuarios. En los últimos años, algunos estudios introdujeron enfoques que podrían superar estas limitaciones, permitiendo a los servidores ocultar los algoritmos de un cliente, así como la información alimentada o producida por un sistema de computación cuántica basado en la nube.

Investigadores de la Universidad de Oxford se propusieron recientemente probar experimentalmente un enfoque propuesto para realizar computación cuántica ciega verificable. Su artículo, publicado en Physical Review Letters , valida la promesa de este enfoque para mejorar la seguridad de las plataformas de computación cuántica basadas en la nube.

"En la Universidad de Oxford, hemos estado construyendo una de las redes cuánticas más sofisticadas del mundo", dijo a Phys.org Gabriel Araneda, coautor del artículo.

"Hemos podido demostrar varios hitos en el campo de las redes cuánticas, incluida la primera realización completa de una distribución de claves cuánticas independiente del dispositivo entre sistemas remotos y la primera red cuántica de relojes atómicos entrelazados de forma remota".

En su artículo reciente, Araneda, Peter Drmota y sus colaboradores se centraron específicamente en la tarea de delegar de forma segura los cálculos cuánticos realizados por un cliente a un servidor cuántico que no es de confianza a través de un enlace de red.

"La computación cuántica ciega se ha propuesto como una solución para proteger la computación en la nube, donde los clientes pueden delegar cálculos a un servidor cuántico sin revelar el algoritmo o los datos procesados", dijo Drmota. "Además, el cliente puede verificar si el resultado obtenido del servidor es correcto:un desafío importante si un problema no se puede abordar de manera eficiente por ningún otro medio".

Hasta hace unos años, las propuestas teóricas para realizar una computación cuántica segura basada en la nube no tenían en cuenta las imperfecciones de los dispositivos. Como se sabe que las computadoras cuánticas tienen numerosas imperfecciones inherentes, estas propuestas finalmente resultaron ineficaces y vulnerables al ruido.

Un artículo de Dominik Leichtle y sus colegas de la Universidad de la Sorbona y la Universidad de Edimburgo presentó un protocolo de verificación ciega eficiente para delegar cálculos cuánticos. Como parte de su estudio, Drmota y sus colegas de la Universidad de Oxford se propusieron aplicar este protocolo en un entorno experimental, utilizando un sistema de iones atrapados conectados a un sistema de detección fotónica accesible al cliente a través de un enlace de fibra cuántica.

"El protocolo para la computación cuántica ciega es difícil de implementar porque cada paso implica una corrección que se aplica a los pasos siguientes", explicó David Nadlinger, coautor del artículo. "Por lo tanto, es interactivo y requiere información en tiempo real para mantener el cálculo en línea con el algoritmo previsto".

Las realizaciones anteriores del protocolo de computación cuántica ciega utilizaron fotones tanto para realizar cálculos como para comunicarse con los clientes. Estas implementaciones puramente fotónicas no podían realizar puertas entrelazadas de manera determinista y carecían de información de avance en tiempo real.

Esto significa que requirieron una selección posterior de los resultados, lo que reduce en gran medida su efectividad para aplicaciones del mundo real. Drmota y sus colegas implementaron el protocolo de computación cuántica ciega de manera diferente y pudieron superar estos problemas.

"Empleamos un qubit de memoria robusto en nuestro servidor, que puede entrelazarse de manera determinista con un segundo qubit y nos permite almacenar información cuántica mientras los dispositivos realizan operaciones de avance en tiempo real", dijo Drmota.

"El objetivo principal de este experimento fue eliminar las limitaciones de eficiencia y seguridad de implementaciones anteriores. Logramos el éxito del protocolo determinista mediante el uso de hardware rápido y adaptable en el cliente y un qubit de memoria en el servidor que se puede entrelazar de manera determinista con el qubit de la red. "

Para realizar su experimento, los investigadores utilizaron un procesador cuántico de iones atrapados que estaba conectado en red al dispositivo de un cliente a través de un enlace cuántico de fibra óptica. Su sistema desarrollado se basa esencialmente en un qubit de red entrelazado con fotones individuales que se envían a los clientes a través de una fibra óptica, así como en un qubit de memoria que almacena el estado actual de un cálculo.

"El cliente opera un dispositivo mucho más simple:un detector de fotones, construido específicamente para medir la polarización de los fotones entrantes de forma arbitraria y conmutable", dijo Araneda.

"La medición del fotón colapsa la función de onda del estado entrelazado entre el fotón y el qubit de la red, 'dirigiendo' así el estado del qubit de la red a un estado conocido exclusivamente por el cliente".

El proceso mediante el cual el estado del qubit cuántico se "dirige" a un estado que sólo conocen los clientes se denomina "preparación del estado remoto". Este proceso es lo que finalmente lleva a que el servidor sea "ciego" al estado de sus propios qubits.

"La disponibilidad de un qubit de memoria en el servidor con tiempos de coherencia superiores a 10 segundos permite al cliente reaccionar en tiempo real a los resultados intermedios obtenidos del servidor ajustando la base del analizador de polarización a mitad del cálculo", explicaron los investigadores. /P>

"Combinado con la capacidad de entrelazar de manera determinista los qubits en el servidor, cada intento de cálculo tiene éxito de manera determinista y no se requiere ninguna selección posterior".

La demostración por parte de los investigadores de un protocolo de verificación ciega pronto podría abrir nuevas posibilidades para la implementación de servicios de computación cuántica basados ​​en la nube. Dado que las computadoras cuánticas son tecnologías avanzadas que son difíciles de implementar a gran escala, su operación remota confiable probablemente será la ruta más viable para permitir su uso generalizado en el corto plazo.

"Nuestro experimento muestra cómo los clientes de computación cuántica pueden acceder al poder de procesamiento de computadoras cuánticas remotas de forma privada y segura", dijo Drmota. "Utilizando un enlace cuántico desde casa, mediante un sencillo dispositivo de medición, todos los datos procesados ​​y el propio algoritmo pueden estar protegidos por las leyes de la mecánica cuántica. Además, mostramos cómo el cliente puede comprobar que los resultados obtenidos del servidor son correctos."

El trabajo reciente de Drmota y sus colaboradores es una contribución significativa al campo en rápido avance de la computación cuántica. Otros equipos de investigación pronto podrían inspirarse en el enfoque propuesto, lo que podría conducir a nuevas propuestas y desarrollos.

"Desde el punto de vista técnico, interconectar tres qubits diferentes, un fotón, un ion de calcio y un ion de estroncio, es un desafío y conlleva una complejidad experimental significativa", dijeron los investigadores.

"Logramos combinar todas las herramientas necesarias para implementar la computación cuántica ciega en un entorno realista, donde todo el hardware del cliente se controla independientemente del servidor y los cálculos se ejecutan con información clásica en tiempo real, mientras que la información cuántica se almacena en un qubit de memoria."

En sus próximos estudios, Drmota y sus colaboradores planean continuar desarrollando su sistema. Por ejemplo, podrían ampliar su enfoque para realizar cálculos más grandes, utilizando sistemas propuestos previamente que pueden ampliarse (es decir, aumentar la cantidad de qubits de memoria y la fidelidad de las operaciones locales).

"La distancia entre el servidor y el cliente también podría ampliarse a redes a escala urbana utilizando técnicas probadas para convertir los fotones en longitudes de onda de telecomunicaciones", añadió Araneda.

"Además, el número de clientes también se puede aumentar mediante el uso de interruptores ópticos, enrutando los fotones emitidos por el procesador cuántico a diferentes clientes. En colaboración con el Prof. Elham Kashefi y el Centro Nacional de Computación Cuántica del Reino Unido, vamos a explorar vías futuras para verificar cálculos cuánticos en diferentes plataformas experimentales que admiten niveles de ruido de última generación."