Verschlüsseltes Quantencomputing: Wenn Unwissenheit gesucht wird

Quantencomputer versprechen, nicht nur klassische Maschinen bei einigen wichtigen Aufgaben zu übertreffen, sondern auch die Vertraulichkeit der Datenverarbeitung zu wahren. Die sichere Delegierung von Berechnungen ist ein wachsendes Problem bei der Verwendung von Cloud Computing und Cloud-Netzwerken. Von besonderem Interesse ist die Fähigkeit, Quantentechnologie zu nutzen, die bedingungslose Sicherheit ermöglicht, was bedeutet, dass keine Annahmen über die Rechenleistung eines potenziellen Gegners getroffen werden müssen.

Es wurden verschiedene Quantenprotokolle vorgeschlagen, die alle Kompromisse zwischen Rechenleistung, Sicherheit und Ressourcen eingehen. Herkömmliche Protokolle sind beispielsweise entweder auf triviale Berechnungen beschränkt oder in ihrer Sicherheit eingeschränkt. Im Gegensatz dazu ist die homomorphe Quantenverschlüsselung eines der vielversprechendsten Schemata für sicheres Delegate-Computing. Hier werden die Daten des Clients verschlüsselt, damit der Server sie verarbeiten kann, obwohl er sie nicht entschlüsseln kann. Im Gegensatz zu anderen Protokollen müssen Client und Server während der Berechnung nicht miteinander kommunizieren, was die Leistung und den Komfort des Protokolls erheblich erhöht.

In einer internationalen Zusammenarbeit unter der Leitung von Professor Philip Walther von der Universität Wien haben sich Wissenschaftler aus Österreich, Singapur und Italien zusammengetan, um ein neues Quantencomputerprotokoll zu implementieren, bei dem der Kunde seine Eingabedaten verschlüsseln kann, damit der Computer nicht lernen kann alles über sie, kann aber trotzdem die Berechnung durchführen. Nach der Berechnung kann der Client die Ausgabedaten erneut entschlüsseln, um das Ergebnis der Berechnung zu lesen. Für die experimentelle Demonstration verwendete das Team Quantenlicht, das aus einzelnen Photonen besteht, um die sogenannte homomorphe Quantenverschlüsselung in einem Quantenlaufprozess zu implementieren. Quantenwanderungen sind interessante spezifische Beispiele für die Quantenberechnung, da sie für klassische Computer schwierig sind, während sie für einzelne Photonen machbar sind.

Durch die Kombination einer integrierten photonischen Plattform, die an der Polytechnischen Universität von Mailand gebaut wurde, und eines neuen theoretischen Vorschlags, der an der Technischen und Designischen Universität von Singapur entwickelt wurde, demonstrierte ein Wissenschaftler der Universität Wien die Sicherheit verschlüsselter Daten und untersuchte die zunehmende Komplexität des Verhaltens . Berechnungen.

Das Team konnte zeigen, dass sich die Sicherheit verschlüsselter Daten mit zunehmender rechnerischer Dimension des Quantenlaufs verbessert. Darüber hinaus weisen neuere theoretische Arbeiten darauf hin, dass zukünftige Experimente, bei denen unterschiedliche Grade der photonischen Freiheit genutzt werden, ebenfalls zu einer verbesserten Datensicherheit beitragen würden. Wir können in Zukunft weitere Optimierungen erwarten. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass sich das Sicherheitsniveau noch weiter verbessert, indem die Anzahl der Photonen, die die Daten tragen, erhöht wird“, sagt Philip Walther und fasst zusammen: „Das ist aufregend und wir planen weitere Entwicklungen in der Sicherheit. Quanten-Computing in der Zukunft.“

Referenz: „Experimentelle quantenhomomorphe Verschlüsselung“ von Jonas Zeuner, Ioannis Pitsios, Si-Hui Tan, Aditya N. Sharma, Joseph F. Fitzsimons, Roberto Osellame und Philip Walther, 5. Februar 2021, Quanteninformation NPj.
DOI: 10.1038 / s41534-020-00340-8