Verifikation von Quantentechnologien, Anwendungen & Systemen

Beteiligte Primärforscher VERIqTAS ist ein europäisches Konsortium mit folgenden Partnern: Remigiusz Augusiak (Center for Theoretical Physics, Polish Academy of Sciences), Antonio Acn (Institute of Photonic Sciences), Omar Fawzi (Centre de Recherche Inria Grenoble-Rhône-Alpes), Laura Mancinska (Universität Kopenhagen), Stefano Pironio (Université libre de Bruxelles) und Miguel Navascués (Institut für Quantenoptik und Quanteninformation Wien, Österreichische Akademie der Wissenschaften). Quantentechnologien gibt es schon seit einiger Zeit. Denken Sie an die Quantenverteilung von Schlüsseln: 1984 konzipierten Bennett und Brassard ein Protokoll, das die geheime Übertragung von Informationen zwischen zwei verschiedenen Orten ermöglichte. Die Sicherheit ihres Schemas, bei dem die beiden Orte Laserpulse aneinander senden mussten, wurde durch die Gesetze der Quantenmechanik garantiert. Viele Experimente folgten und 2001 wurde ID quantique, der älteste Anbieter von Quantenkryptografie, gegründet. Heutzutage gibt es ein Verteilungsnetz für Quantenschlüssel, das Peking und Shanghai verbindet, und es gibt Pläne, ein ähnliches in der Europäischen Union aufzubauen. Parallel dazu haben wir in den letzten Jahren eine starke Verbreitung von Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ)-Geräten gesehen. Diese sind komplexe Quantensysteme, über die wir ein außerordentliches Maß an Kontrolle haben, die aber dennoch nicht ausgereift genug sind, um einen Quantencomputer zu sein. Da herkömmliche Computer das Verhalten von NISQ-Geräten nicht vorhersagen können, besteht die Hoffnung, dass sie zur Lösung anspruchsvoller Rechenaufgaben wie dem Medizindesign eingesetzt werden können. Tatsächlich gibt es bereits theoretische Vorschläge zur Verwendung von NISQ-Geräten als Hilfsmittel bei den finanziellen Investitionen. An diesem wunderschönen blauen Himmel ziehen jedoch ein paar Wolken auf: Kommerzielle QKD-Systeme wurden immer wieder gehackt, und NISQ-Geräte geben bekanntlich manchmal falsche Antworten aus. In allen Fällen lag ein Hardwareproblem vor. Einer der Teile des Gesamtsystems oder ihr gemeinsames Zusammenspiel funktionierte nämlich nicht wie erwartet. Ziel des Projekts VERIqTAS ist es, Protokolle und Methoden zu entwickeln, um zu überprüfen, ob komplexe Quantensysteme wie Netzwerke oder NISQ-Geräte korrekt funktionieren. Bei Kommunikationsnetzen ist dies umso schwieriger, da wir den experimentellen Geräten, mit denen wir das Netz testen, nicht einmal vertrauen können: Sie könnten von einem Spion manipuliert worden sein! Man würde es für unmöglich halten, zu überprüfen, ob ein System funktioniert, ohne Annahmen darüber zu treffen, wie wir auf das System zugreifen. Dies gilt jedoch nur für die klassische Physik: Wie sich herausstellt, gibt es quantenkryptografische Protokolle, die nicht darauf kommen, wie die experimentellen Geräte funktionieren. Solche Protokolle sind noch sehr unpraktisch, deshalb wollen wir sie im Projekt VERIqTAS verbessern. Die Überprüfung der korrekten Funktion von NISQ-Geräten ist nicht viel einfacher, da normale Computer sie nicht simulieren können. Das heißt, dass das Protokoll, das uns einfällt, kein vollständiges Modell des Systems enthalten kann, das wir untersuchen möchten. Das Projekt VERIqTAS wird erkennen, welche Merkmale komplexer Quantensysteme wir vorhersagen können, und sie verwenden, um zu überprüfen, ob das NISQ-Gerät funktioniert.

In den letzten Jahren haben wir eine Welle neuartiger Quantentechnologien erlebt, wie etwa Quantenzufallszahlengeneratoren oder die ersten Prototypen von Quantencomputern. Der gesellschaftliche Nutzen dieser neuen Geräte hängt von der korrekten Funktionsweise ihrer internen Mechanismen ab. Vor diesem Hintergrund zielte das Projekt Veriqtas darauf ab, allgemeine Verfahren zu entwickeln, mit denen sich zertifizieren lässt, dass jede Quantenkomponente in einem komplexen Gerät tatsächlich die ihr zugedachte Funktion erfüllt. Dazu untersuchte der österreichische Projektpartner zunächst ein minimales physikalisches Szenario, das lediglich aus einer Präparations- und einer Messeinheit bestand. Eine Präparationseinheit ist ein Gerät, das ein Quantensystem - beispielsweise ein Photon - in eine bestimmte Konfiguration oder einen bestimmten Zustand versetzt, etwa in eine horizontale Polarisation. Eine Messeinheit ist ein Gerät, das bei Zufuhr eines Quantensystems ein Ergebnis liefert, welches Aufschluss über eine physikalische Eigenschaft des Systems gibt. So könnte das Ergebnis einer Messeinheit beispielsweise "vertikal" lauten, wenn sie die Polarisation des Photons misst, mit dem sie interagiert. Wir untersuchten die Frage, wie sich zertifizieren lässt, dass Präparations- und Messeinheiten gemäß ihren Spezifikationen funktionieren. Bemerkenswerterweise stellten wir fest, dass sich die erwartungsgemäße Funktion beider Geräte auch ohne Einbeziehung einer dritten Komponente nachweisen lässt - vorausgesetzt, die maximale Informationsmenge (in Bits), die das Quantensystem übertragen kann, ist bekannt. Da diese Information in vielen experimentellen Aufbauten vorliegt, ermöglichen unsere Methoden die Zertifizierung von Präparations- und Messeinheiten unter sehr geringen Voraussetzungen. Im nächsten Schritt widmeten wir uns der Untersuchung von Vielteilchen-Quantensystemen, also Quantensystemen, die aus mehreren unabhängigen Bestandteilen bestehen. Solche Systeme sind schwer zu analysieren, da die Anzahl der zur Zustandsbeschreibung erforderlichen Parameter mit der Zahl der Teilsysteme rasch ansteigt. Wir betrachteten Experimente, bei denen jeder Teil des Vielteilchensystems einzeln gemessen wird; die Ergebnisse all dieser Messungen werden zusammengeführt, um eine nicht-triviale Eigenschaft des Systems zu zertifizieren. In diesem Rahmen entwickelten wir einfache Protokolle, um nachzuweisen, dass sich das Vielteilchensystem nahe dem absoluten Nullpunkt befindet, oder um vorherzusagen, wie sich die Systemeigenschaften im Zeitverlauf verändern. Zudem fanden wir einen (einfachen) Weg, sowohl das Gerät zur Präparation des Vielteilchensystems als auch die einzelnen Messeinheiten zu zertifizieren. Schließlich befassten wir uns mit der Zertifizierung der Sicherheit quantenkryptografischer Protokolle. Diesbezüglich sind wir zu einem negativen Ergebnis gelangt: Wir haben festgestellt, dass viele solcher Protokolle auf der Annahme beruhen, die zur Informationsübertragung genutzten Quantensysteme ließen sich vollständig zurücksetzen; lässt man diese Annahme jedoch fallen, so verlieren die Protokolle ihre Sicherheit. Dieser Angriff betrifft zahlreiche Protokolle, die kürzlich zur Erzeugung zertifizierbar zufälliger Zahlen vorgeschlagen wurden.