Bulut tabanlı kuantum bilişim için güvenli bir yaklaşım, kuantum mekaniğinin verileri şifreleme yeteneğini kullanır.
Kuantum teknolojisi hızla ilerlemiş olsa da, her evin ya da işletmenin bir kuantum bilgisayara sahip olacağı güne daha çok var. İlk kuantum bilişim muhtemelen tüketicilerin hesaplama işlerini ve verileri Google, IBM veya başka bir işletme tarafından barındırılan son teknoloji bir kuantum bilgisayara gönderdiği bir kuantum “bulutuna” dayanacaktır.
Peki bu strateji güvenli mi? Kuantum tabanlı protokoller kırılmaz gizlilik sağladığından bu mümkün. Yakın zamanda yapılan bir çalışmada, bir tür “kör kuantum bilişimi” göstermek için tuzaklanmış iyonlar kullanıldı.
Protokol ölçeklenebilir olduğundan, daha büyük kuantum hesaplama platformlarına entegre edilebilme özelliğine sahiptir.
İlaç keşfi ve malzeme tasarımı gibi hesaplama açısından zorlu alanlarda kuantum bilgisayarlar devrim niteliğinde olabilir. Bulut tabanlı bir kuantum bilgisayarın kullanılması, rekabetin yoğun olduğu bu sektörlerde soru işaretlerine yol açacaktır. Oxford Üniversitesi’nden Peter Drmota’ya göre, “yeni bir mucize ilaç ya da yüksek performanslı bir pil malzemesi arayan bir şirket gizli sırları ifşa etmek istemeyecektir.” Öte yandan, uzaktaki bir kuantum bilgisayarında hesaplamaların yapılabileceği, ancak verilerin ve üzerinde gerçekleştirilen işlemlerin gizlenebileceği -teorik olarak- gösterilmiştir. Drmota’ya göre, “bir müşteri, kör kuantum hesaplama yapan herhangi birinin kuantum bilgisayarını kullanırken kendini daha güvende hissedebilir.”
Fotonik yöntemlerle kör kuantum hesaplama üzerine önceki araştırmalar çeşitli gruplar tarafından yürütülmüştür. Bu konfigürasyonların temel dezavantajı, kuantum dolaşıklık işlemlerinin bazen başarılı bazen de başarısız olması nedeniyle tekrarlanan denemeler ve amaçlanan çıktının sonradan seçilmesini gerektiren olasılıksal yapılarıdır.
Kuantum bilgisayarlar için entegre yazılımlar üreten Horizon Quantum Computing şirketinden Joe Fitzsimons, “Deterministik dolaşıklık işlemlerinin eksikliği nedeniyle yalnızca fotonları kullanarak kör kuantum hesaplama yapmak zordur” diyor. Bu çalışmada yer almayan Fitzsimons’a göre, topluluk foton tabanlı kübitlerin aksine madde tabanlı kübitlerin kullanıldığı kör kuantum hesaplamanın bir gösterimini beklemektedir.
Drmota ve arkadaşları, stronsiyum ve kalsiyum olmak üzere iki tuzaklanmış iyondan oluşan temel bir kör kuantum hesaplama düzeneği kullanarak bunu başarıyla gösterdiler. Uzatılmış tutarlılık süreleri ile kalsiyum iyonu bir bellek kubiti olarak işlev görürken, stronsiyum iyonu fotonları bir “istemciye” ileten ağ kubiti olarak görev yapıyor. İki iyon birlikte çalışarak kuantum bulut sisteminin “sunucusunu” oluşturur.
Ağ kubiti, ekibin kör hesaplama protokolünün ilk adımı olarak optik bir fiber üzerinden istemciye bir foton iletiyor. Fotonun polarizasyonu ağ iyonunun elektronik durumuna bağlı olduğu için iki nesne kuantum dolaşıktır. Fotonun durumunu ölçen istemci, iyonun durumunu “yönlendirmek” için bu dolaşıklığı kullanır.
Özellikle müşteri, fotonun polarizasyonunu ölçerken polarizasyon ölçüm ekipmanının yönünü gizlice seçer. Müşteri bu ölçümü kullanarak ağ kübitinin durumunu hazırlar. Sorbonne Üniversitesi’nden Dominik Leichtle, “Tüm sistem, yalnızca müşterinin farkında olduğu belirli bir duruma ‘çöküyor’” diyor. “Sunucu, ölçümden habersiz olduğu için ağ kübitinin hangi duruma düştüğünü bilmiyor.”
Bununla birlikte, ağ kübitinin bilgileri, ağ kübitini ve bellek kübitini birbirine dolayan lazer tabanlı bir prosedür aracılığıyla sunucu tarafından işlenebilir. Daha sonraki protokol yinelemelerinde kullanılabilecek bilgiler bellek kübitinde saklanır.
Hesaplamaya devam etmek için istemci standart bir iletişim hattı üzerinden sunucuya bir mesaj gönderir. Mesaj, sunucuya ağ kübitinin belirli bir eksen boyunca dönüşünü ölçmesi ve sonuçları istemciye geri iletmesi talimatını verir. Sunucu daha sonra istemciye başka bir foton gönderiyor ve tüm süreç tekrarlanıyor.
Grup, protokolün güvenliğini daha iyi garanti altına almak için verileri “one-time-pad encryption” olarak bilinen bir teknikle şifreliyor. Bu yöntemle, istemci tarafından sunucuya verilen talimatlara ek rotasyonlar eklenerek rastgele tamsayılardan oluşan bir liste oluşturuluyor. Drmota’ya göre, “istemciden çıkan her şey ve istemciye geri getirilen her şey anlamsızdır.”
Sunucu, bu şifreleme nedeniyle verilerin ve işlemlerin anlamından habersizdir. Ancak, istemcinin rastgele sayılar listesi anlamsızlığı çözmek için kullanılabilir.
Ayrıca, istemci hesaplamanın doğru bir şekilde yapıldığını doğrulamak için bir araca sahiptir. Leichtle’ye göre bu tür bir doğrulama, kontrol edilemeyen ya da hataya eğilimli bir kuantum bilgisayarına güven duyulması açısından çok önemlidir. Geçmişte doğrulama teknikleri geliştirilmişti, ancak bunlar genellikle çok fazla bilgisayar gücüne ihtiyaç duyuyordu. Leichtle ve arkadaşları tarafından sahte girdileri test etmeyi ve gerçek verileri bunlarla değiştirmeyi gerektiren daha etkili bir metodoloji oluşturuldu.
Araştırmacılar iki iyonlu düzeneği kullanarak bu protokolü uygulamaya koydular ve bir istemcinin kuantum hesaplamalarının doğruluğunu nasıl teyit edebileceğini gösterdiler.
Grubun ilk sunumu, istemcinin sunucuya kübit döndürme olarak bilinen basit bir kuantum işlemi gerçekleştirmesi talimatını verebileceğini ortaya koydu. İstemci, veriler analiz edilip şifreleri çözüldüğünde, beklenen sonuç olan bir saçak deseni keşfetti. Daha fazla bellek kübiti eklenerek, tuzaklanmış iyon sistemi daha güçlü hale getirilebilir ve daha karmaşık işlemleri hesaplayabilir. Tüm bu kübitleri birbirine bağlamak kolay olmayacaktır, ancak kuantum bilgi uzmanları onlarca tuzaklanmış iyonu birbirine bağlayabileceklerini göstermiş ve 1000 iyonlu sistemler önerilmiştir.
Drmota ve Leichtle’a göre, geliştirdikleri kör kuantum hesaplama yöntemi, bu teknolojinin ilerlemesine paralel olarak “ölçeklenebilir” ve bu ifadeyi de sunucunun boyutundan bağımsız olarak istemci aygıtının ve arayüzünün değişmeden kalabilmesi olarak tanımlıyoruz diye açıklıyor.
Ottawa Üniversitesi’nden Broadbent’e göre, “tuzaklanmış iyonlar ve fotonik algılama kullanarak kör kuantum hesaplamanın son gösterimi, ölçeklenebilir ve güvenli kuantum iletişimine doğru önemli bir kilometre taşını temsil ediyor.” “Bu gelişmeler, pratik kullanıma yaklaştıkça gizliliği ve doğrulanabilirliği garanti eden bir kuantum internetine kapı açıyor.” Fitzsimons, madde kübitlerini foton tabanlı bir iletişim ağına bağlamak için araştırmacıların önemli teknolojik engelleri aşmak zorunda kaldıklarına işaret ederek aynı fikirde. “Ancak daha yüksek kübit sayısına sahip kuantum işlemcilerde kör kuantum hesaplamayı mümkün kılmak için daha fazla çalışma yapılması gerekecek, çünkü mevcut gösteri hala az sayıda kübitle sınırlı” diye ekliyor.
Kaynak: physics.aps.org/articles/v17/85
