Науковцям вперше вдалось згенерувати справжні випадкові числа за допомогою 56-кубітного квантового комп'ютера.

У дослідженні, опублікованому у журналі Nature, вчені з JPMorganChase, Quantinuum, Аргоннської національної лабораторії, Окріджської національної лабораторії та Техаського університету в Остіні, використовуючи 56-кубітний квантовий комп'ютер, вперше продемонстрували сертифіковану випадковість. Мається на увазі генерація квантовим комп'ютером випадкових чисел та використання класичного суперкомп'ютера для перевірки справжньої випадковості цих чисел і того, що вони були створені заново.

Це дуже важливий крок на шляху до використання квантових комп'ютерів у вирішенні практичних задач, які наразі неможливо реалізувати за допомогою класичних систем. Протокол сертифікованої випадковості вперше запропонував професор комп'ютерних наук у Техаському університеті в Остіні та директор Центру квантової інформації Скотт Ааронсон. Разом з колишнім науковим співробітником Ши-Хан Хунгом вони розробили теоретичну основу та аналітичну підтримку для експериментальної демонстрації.

«Коли я вперше запропонував свій сертифікований протокол випадковості у 2018 році, я не мав уявлення, скільки часу мені потрібно буде чекати, щоб побачити його експериментальну демонстрацію. Розвиток оригінального протоколу та його розуміння - це перший крок до використання квантових комп'ютерів для створення сертифікованих випадкових бітів для реальних криптографічних додатків», - зазначає Скотт Ааронсон. 

Минулого року розробники з Quantinuum та JPMorganChase, а також команда спеціалістів з Google оголосили про виконання на своїх квантових комп'ютерах задач, які не можливі були у випадку з використанням суперкомп'ютерів. Це досягнення стало відомим як квантова перевага. Однак перетворення цієї потужності для вирішення практичних завдань залишалось відкритим викликом.

Вирішення було досягнуте шляхом використання випадкової циклічної вибірки для генерації сертифікованої випадковості. Це дуже важливо для багатьох застосунків у сфері криптографії та захисту даних.

Класичні комп'ютері не здатні самостійно генерувати справжні випадкові числа. Через це зазвичай їх підключають до апаратного генератора випадкових чисел. Однак зловмисники можуть отримати доступ до цього генератора і використовувати його для надання комп'ютеру не випадкових чисел. Це використовується, зокрема, для зламу криптографічних кодів. Сертифікований протокол випадковості не дозволяє шахраям це зробити навіть, якщо вони отримають доступ до квантового комп'ютера.

Команда розробників віддалено отримала доступ до 56-кубітного квантового комп'ютера Quantinuum System Model H2 з захопленими іонами та згенерувала випадкові сертифіковані біти. Зокрема, вони виконали протокол сертифікованого розширення випадковості на основі RCS, який виводить більше випадкових чисел, ніж має на вході.

Протокол складається з двох етапів. Спершу дослідники багаторазово навантажували квантовий комп'ютер складними завданнями, вимагаючи швидко їх вирішити, чого не може навіть найпотужніший суперкомп'ютер у світі. Квантовий комп'ютер міг вирішити ці завдання, обравши лише одне з багатьох ймовірних рішень випадковим чином.

Другий етап передбачав математичну сертифікацію випадковості із використанням класичних суперкомп'ютерів. На практиці було продемонстровано, що випадковість не може бути імітована за допомогою класичних суперкомп'ютерів. Використовуючи класичну сертифікацію на кількох передових суперкомп'ютерах із сумарною продуктивністю 1,1×10 18 операцій з плаваючою точкою в секунду (1,1 ExaFLOPS) команді вдалось сертифікувати 71 313 біт ентропії.

«Ця робота знаменує собою важливу віху в квантових обчисленнях, демонструючи вирішення реальної проблеми з використанням квантового комп'ютера, що виходить за межі можливостей класичних суперкомп'ютерів. Ця розробка сертифікованої випадковості не тільки демонструє досягнення в галузі квантового обладнання, але й матиме життєво важливе значення для подальших досліджень, статистичної вибірки, чисельного моделювання та криптографії», - підкреслив керівник відділу глобальних прикладних досліджень технологій та інженер JPMorganChase Марко Пістойя. 

У червні 2024 року Quantinuum модернізувала свій квантовий комп'ютер System Model H2 до 56 кубітів із захопленими іонами. H2 покращив існуючий рівень техніки в галузі у 100 разів завдяки своїй високій точності та загальній зв'язності кубитів, що підтвердило висновок, що результат не міг бути отриманий на жодному з існуючих класичних комп'ютерів.

Результати дослідження опубліковані у журналі Nature.