オックスフォードの新たなブレークスルーで量子クラウドコンピューティングが確保される

オックスフォード大学の科学者らが量子クラウド コンピューティングのセキュリティとプライバシーに画期的な進歩をもたらしたおかげで、企業は量子クラウド コンピューティングに一歩近づいています。

研究者らは、「ブラインド量子コンピューティング」と呼ばれるアプローチを使用して、2 つの量子コンピューティング エンティティを接続しました (図A); これは、自宅またはオフィスにいる従業員がクラウド経由で量子サーバーにリモート接続する状況をシミュレートします。 この方法を使用すると、量子サーバープロバイダーは計算を実行するためにその詳細を知る必要がなく、ユーザーの独自の作業が安全に保たれます。 ユーザーは、結果の信頼性を簡単に検証して、結果が間違っていないか破損していないことを確認することもできます。

図A

量子計算のセキュリティとプライバシーの確保は、これまでこの強力な技術を妨げてきた最も重大な障害の 1 つであるため、今回の取り組みにより、量子計算がついに主流に入る可能性があります。

小規模でしかテストされていないにもかかわらず、研究者らは、自分たちの実験は大規模な量子計算にスケールアップできる可能性があると述べている。 作業者が量子クラウド コンピューティング サービスにアクセスする際にそのデータを保護するプラグイン デバイスが開発される可能性があります。

オックスフォード大学物理学研究チームの共同責任者であるデイビッド・ルーカス教授は、次のように述べた。 プレスリリース: 「私たちは、クラウド上の量子コンピューティングがスケーラブルで実用的な方法でアクセスできることを初めて示しました。これにより、データの完全なセキュリティとプライバシーに加えて、その信頼性を検証する機能も提供されます。」

量子クラウドコンピューティングとは何ですか?

古典的なコンピューターは情報を 1 と 0 で表される 2 進数のビットとして処理しますが、量子コンピューターは量子ビット (量子ビット) を使用して情報を処理します。 量子ビットは 1 と 0 の両方として同時に存在しますが、どちらかになる確率は量子状態によって決まります。 この特性により、量子コンピューターは問題を同時に解決できるため、古典的なコンピューターよりもはるかに高速に特定の計算に取り組むことができます。

量子クラウド コンピューティングでは、量子リソースがインターネット経由でリモートのユーザーに提供されます。 これにより、特殊なハードウェアや専門知識を必要とせずに、誰でも量子コンピューティングを利用できるようになります。

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なぜ「ブラインド量子コンピューティング」の方が安全なのでしょうか?

一般的な量子クラウド コンピューティングでは、ユーザーは解決しようとしている問題をクラウド プロバイダーに明かさなければなりません。 これは、プロバイダーのインフラストラクチャが、適切なリソースと実行パラメーターを割り当てることができるように、問題の詳細を理解する必要があるためです。 当然のことながら、独自の作業の場合、これにはセキュリティ上の懸念が生じます。

ブラインド量子コンピューティング方式では、計算中にユーザー自身がサーバーの量子プロセッサを遠隔制御するため、このセキュリティリスクは最小限に抑えられます。 データを安全に保つために必要な情報 (入力、出力、アルゴリズムの詳細など) は、サーバーが情報に関していかなる決定も行わないため、クライアントのみが知る必要があります。

「歴史上、クラウド コンピューティングと人工知能の時代ほど、データとコードのプライバシーをめぐる問題が緊急に議論されたことはありません」とルーカス教授はプレスリリースで述べた。

「量子コンピュータの能力が高まるにつれて、人々はネットワーク上で完全なセキュリティとプライバシーを確​​保しながら量子コンピュータを使用することを求めるようになるでしょう。そして私たちの新しい結果は、この点で能力が大きく変化したことを示しています。」

量子コンピューティングはビジネスにどのような影響を与えるでしょうか?

量子コンピューティングは従来のコンピューティングよりもはるかに強力であり、研究段階からのスケールアウトに成功すれば、私たちの働き方に革命をもたらす可能性があります。 例としては次のものが挙げられます。 サプライチェーンの問題を解決する、 ルートの最適化 そして 通信の保護。

英国政府は2月に発表した。 量子コンピューティングへの4,500万ポンド（5,700万ドル）の投資; この資金は、量子コンピューティングの実用的な用途を発見し、2033 年までに「量子対応経済」を構築するために使われます。3 月に、量子コンピューティングは 閣僚宣言で明記された、G7諸国は、量子技術の開発を促進し、学術界と産業界の協力を促進するために協力することに同意しています。 ちょうど今月、 英国で2番目の商用量子コンピューターが稼働開始。

広範な電力と冷却要件のため、現在市販されている量子コンピューターはほとんどありません。 ただし、いくつかの大手クラウド プロバイダーは、いわゆる quantum-as-a-service を企業顧客や研究者に提供しています。 たとえば、Google の Cirq はオープンソースの量子コンピューティング プラットフォームですが、Amazon Braket を使用すると、ユーザーはローカルの量子シミュレーターでアルゴリズムをテストできます。 IBM、Microsoft、Alibaba も、Quantum-as-a-Service サービスを提供しています。

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しかし、量子コンピューティングをスケールアップしてビジネス アプリケーションに使用できるようにするには、顧客データのプライバシーとセキュリティを保護しながら量子コンピューティングを確実に実現できるようにすることが不可欠です。 これは、オックスフォード大学の研究者らが新しい研究で達成することを望んでいたことであり、 物理的なレビューレター。

研究責任者のピーター・ドモタ博士はTechRepublicに電子メールで次のように語った。個人的な医療情報、知的財産、防衛などの機密性の高いデータを扱うアプリケーション。 これらのアプリケーションはセキュリティが追加されていない状態でも存在しますが、それほど広く使用される可能性は低くなります。

「量子コンピューティングには、機械学習を大幅に改善する可能性があります。 これにより、より優れ、より適応した人工知能の開発が促進され、すでにあらゆる分野のビジネスに影響を与えていることがわかります。

「量子コンピューティングが今後 5 ～ 10 年で私たちの生活に影響を与えることは考えられますが、今後起こるイノベーションの正確な性質を予測するのは困難です。 ユーザーがこの新しいツールの使い方や仕事への応用方法を学び始めるにつれ、継続的な適応プロセスが進むことを期待しています。これは、現在主流の職場で AI が徐々に関連性を高めているのと同じです。

「現在、私たちの研究は非常に一般的な仮定に基づいて進められていますが、企業が量子コンピューティングの可能性を模索し始めると、より具体的な要件が現れ、研究が新たな方向に進むことになるでしょう。」

ブラインド量子クラウド コンピューティングはどのように機能しますか?

ブラインド量子クラウド コンピューティングでは、光子または光の粒子を検出できるクライアント コンピューターを光ファイバー ケーブルで量子コンピューティング サーバーに接続する必要があります (図B）。 サーバーは単一光子を生成し、光子はファイバー ネットワークを通じて送信され、クライアントによって受信されます。

図B

次に、クライアントはフォトンの偏光または方向を測定し、これにより、必要な計算を行う方法でサーバーをリモート操作する方法がわかります。 これはサーバーが計算に関する情報にアクセスする必要がなく、安全に行うことができます。

計算結果が間違っていないか、改ざんされていないことをさらに保証するために、追加のテストを行うことができます。 改ざんによってブラインド量子計算のデータのセキュリティが損なわれることはありませんが、それでも結果が破損し、クライアントが気付かないままになる可能性があります。

「量子力学の法則では情報のコピーは認められておらず、サーバーや盗聴者がメモリの状態を観察しようとすると計算が破壊されてしまいます」とドモタ博士は電子メールでTechRepublicに説明した。 「その場合、ユーザーは「検証」と呼ばれる機能を使用してサーバーが忠実に動作していないことに気づき、疑問がある場合はサービスの使用を中止することになります。

「サーバーは計算に対して「ブラインド」であるため、つまり異なる計算を区別できないため、クライアントは結果を簡単に確認できる単純なテストを実行することでサーバーの信頼性を評価できます。

「サーバーが正しく動作しているという十分な証拠が得られ、実際の計算結果が正しいと信頼できるようになるまで、これらのテストを実際の計算と交互に行うことができます。 このようにして、正直なエラーだけでなく、計算を改ざんしようとする悪意のある試みもクライアントによって検出できます。」

図C

研究者らはブラインド量子クラウドコンピューティング実験を通じて何を発見したのでしょうか?

論文によれば、研究者らは、自分たちの方法で生成された計算が「堅牢かつ確実に検証できる」ことを発見しました。 これは、クライアントが結果が改ざんされていないことを信頼できることを意味します。 また、計算を実行するために操作される量子要素の数を「サーバー内の物理量子ビットの数を増やすことなく、またクライアントのハードウェアを変更することなく」増やすことができるため、拡張性にも優れていると科学者らは書いている。

Drmota博士はプレスリリースで次のように述べています。「ブラインド量子コンピューティングを使用すると、クライアントはリモートの量子コンピュータにアクセスして、秘密のアルゴリズムで機密データを処理し、有用な情報を漏らすことなく、結果が正しいことを検証することもできます。 この概念を実現することは、量子コンピューティングとオンラインでの情報の安全性の両方において大きな前進となります。」

この研究は、商業および政府機関の支援を受けた 17 大学の共同研究である UK Quantum Computing and Simulation Hub によって資金提供されました。 これは、英国国家量子技術プログラムの 4 つの量子技術ハブのうちの 1 つです。