Un computer cuantic de 56 de cubiți tocmai a făcut ceea ce niciun supercomputer nu poate

Un computer cuantic a fost utilizat pentru a genera și certifica numere cu adevărat aleatorii, lucru pe care computerele clasice nu îl pot face, deschizând calea pentru o criptare imposibil de spart. Cercetătorii au realizat, astfel, o descoperire majoră în domeniul calculului cuantic: certificarea caracterului aleatoriu, un proces prin care un computer cuantic generează numere cu adevărat aleatorii, care sunt apoi dovedite ca fiind cu adevărat aleatorii de supercomputerele clasice.

Această inovație are implicații profunde pentru criptografie, corectitudine și securitate și marchează o trecere de la potențialul teoretic la aplicațiile practice, reale, ale avantajului cuantic. Într-un nou studiu publicat în Nature, cercetătorii de la JPMorganChase, Quantinuum, Argonne National Laboratory, Oak Ridge National Laboratory și University of Texas at Austin raportează o etapă majoră în calculul cuantic, cu implicații promițătoare pentru criptografie, confidențialitatea datelor și echitate.

Utilizând un computer cuantic de 56 de qubit, echipa a demonstrat cu succes, pentru prima dată, caracterul aleatoriu certificat. 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 produse recent. Realizarea reprezintă un pas concret către utilizarea computerelor cuantice pentru sarcini practice care sunt în prezent imposibile cu sistemele clasice.

Protocolul de aleatorizare certificată a fost propus inițial de Scott Aaronson, profesor de informatică la UT Austin și director al Centrului de informații cuantice. Aaronson și fostul său cercetător postdoctoral, Shih-Han Hung, au furnizat baza teoretică și sprijinul analitic pentru demonstrația experimentală.

„Când am propus pentru prima dată protocolul meu de aleatorie certificată în 2018, nu am avut nicio idee cât timp va trebui să aștept pentru a vedea o demonstrație experimentală a acestuia", a declarat Aaronson. „Construirea pe baza protocolului original și realizarea acestuia este un prim pas spre utilizarea computerelor cuantice pentru a genera biți aleatorii certificați pentru aplicații criptografice reale."

S-a demonstrat că computerele cuantice posedă o putere de calcul mult peste cea oferită chiar și de cele mai puternice supercomputere clasice. Anul trecut, o echipă de la Quantinuum și JPMorganChase și o alta de la Google au anunțat fiecare că au efectuat sarcini pe calculatoarele lor cuantice respective care ar fi fost imposibile cu supercomputerele existente, o performanță cunoscută sub numele de supremație cuantică. Cu toate acestea, convertirea acestei puteri în rezolvarea unei sarcini practice a rămas o provocare deschisă.

Această provocare a fost acum abordată prin valorificarea eșantionării aleatorii a circuitelor (RCS) pentru a genera aleatoriu certificat. Caracterul aleatoriu este o resursă esențială pentru numeroase aplicații în domenii precum criptografia, echitatea și confidențialitatea.

Calculatoarele clasice singure nu pot genera numere cu adevărat aleatorii, astfel încât acestea sunt de obicei combinate cu un generator hardware de numere aleatorii. Însă un adversar ar putea să rechiziționeze generatorul de numere aleatorii și să îl folosească pentru a furniza calculatorului numere care nu sunt complet aleatorii, permițându-i astfel adversarului să spargă codurile criptografice. Folosind noua metodă descrisă aici, chiar dacă un adversar ar fi pus mâna pe computerul cuantic, ar fi teoretic imposibil să manipuleze rezultatul și să fie în continuare certificat ca fiind aleatoriu.

Accesând computerul cuantic cu ioni captivi Quantinuum System Model H2 de 56 qubit de la distanță prin internet, echipa a generat biți aleatorii certificabili. Mai exact, au efectuat un protocol de expansiune a aleatorității certificate bazat pe RCS, care produce mai multă aleatoritate decât primește ca intrare.

Protocolul constă din două etape. În prima etapă, echipa a alimentat în mod repetat computerul cuantic cu provocări pe care acesta trebuia să le rezolve rapid, provocări pe care nici cel mai puternic supercomputer clasic din lume nu le poate rezolva rapid și pe care computerul cuantic le poate rezolva doar alegând la întâmplare una dintre numeroasele soluții posibile.

În cea de-a doua etapă, a fost certificată matematic autenticitatea aleatorității cu ajutorul supercomputerelor clasice. De fapt, echipa a demonstrat că aleatoriul nu poate fi imitat prin metode clasice. Folosind certificarea clasică pe mai multe supercomputere de top cu o performanță susținută combinată de 1,1 x 1018 operații în virgulă mobilă pe secundă (1,1 ExaFLOPS), echipa a certificat 71.313 biți de entropie.

„Această lucrare marchează o etapă majoră în calculul cuantic, demonstrând o soluție la o provocare din lumea reală folosind un computer cuantic dincolo de capacitățile supercomputerelor clasice din prezent", a declarat Marco Pistoia, Head of Global Technology Applied Research and Distinguished Engineer, JPMorganChase. „Această dezvoltare a aleatorității certificate nu numai că arată progresele înregistrate în domeniul hardware-ului cuantic, dar va fi vitală pentru cercetările ulterioare, eșantionarea statistică, simulările numerice și criptografie."

În iunie 2024, Quantinuum și-a actualizat computerul cuantic System Model H2 la 56 de qubits cu ioni captivi și, în parteneriat cu echipa Global Technology Applied Research a JPMorganChase, a utilizat acest sistem pentru a efectua RCS, o sarcină care a fost inițial concepută pentru a demonstra avantajul cuantic. H2 a îmbunătățit stadiul actual al tehnologiei în industrie cu un factor de 100 datorită fidelității sale ridicate și conectivității tuturor qubit-urilor, ceea ce a condus 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 piatră de hotar care aduce calculul cuantic ferm în domeniul aplicațiilor practice, din lumea reală", a declarat Dr. Rajeeb Hazra, președinte și CEO al Quantinuum. „Aplicarea noastră de aleatorie cuantică certificată nu numai că demonstrează performanța de neegalat a tehnologiei noastre cu ioni captivi, dar stabilește un nou standard pentru furnizarea de securitate cuantică robustă și permite simulări avansate în industrii precum finanțe, producție și nu numai. La Quantinuum, conducem descoperiri de pionierat pentru a redefini industriile și a debloca întregul potențial al calculului cuantic."

„Aceste rezultate în domeniul calculului cuantic au fost posibile datorită facilităților de calcul de top la nivel mondial ale Departamentului pentru Energie al SUA de la Oak Ridge National Laboratory, Argonne National Laboratory și Lawrence Berkeley National Laboratory", a declarat Travis Humble, director al Quantum Computing User Program și director al Quantum Science Center, ambele la ORNL. „Astfel de eforturi de pionierat împing frontierele calculului și oferă perspective valoroase asupra intersecției dintre calculul cuantic și calculul de înaltă performanță.