Quanten-Computing: Wenn Unwissenheit erwünscht ist

Quantencomputer versprechen nicht nur, klassische Maschinen bei bestimmten wichtigen Aufgaben zu übertreffen, sondern auch die Privatsphäre der Datenverarbeitung zu wahren. Seit der Möglichkeit Cloud-Computing und Cloud-Netzwerke zu nutzen, ist das sichere Auslagern von Berechnungen ein zunehmend wichtiges Thema. Insbesonders steht die Entwicklung von Quantentechnologien im Fokus, die bedingungslose Sicherheit ermöglichen, d.h. wobei keine Annahmen über die Rechenleistung eines potentiellen Angreifers gemacht werden müssen.

Die meisten vorgeschlagenen Quantenprotokolle müssen Kompromisse zwischen Rechenleistung, Sicherheit und Ressourcen eingehen. Klassische Protokolle beschränken sich beispielsweise entweder auf triviale Berechnungen oder sind nur beschränkt sicher. Im Unterschied dazu ist die homomorphe Quantenverschlüsselung eines der vielversprechendsten Schemata für sicher ausgelagerte Berechnungen. In diesem Szenario werden die Daten des Clients so verschlüsselt, dass der Server sie verarbeiten kann ohne diese entschlüsseln zu können. Zudem müssen Client und Server im Gegensatz zu anderen Protokollen während der Berechnung nicht miteinander kommunizieren, was die Leistungsfähigkeit und Praktikabilität des Protokolls dramatisch steigert.

In einer internationalen Zusammenarbeit unter der Leitung von Prof. Philip Walther von der Universität Wien haben sich Wissenschaftler*innen aus Österreich, Singapur und Italien nun zusammengeschlossen, um ein neues Quantenberechnungsprotokoll umzusetzen, bei dem der Client die Möglichkeit hat seine Eingabedaten zu verschlüsseln, sodass der Computer nichts über diese erfahren kann, aber dennoch die Berechnung durchführen kann. Nach der Berechnung kann dann der Client die Ausgabedaten wieder entschlüsseln, um das Ergebnis der Berechnung auslesen zu können. Für die experimentelle Demonstration verwendete das Team Quantenlicht, das aus einzelnen Photonen besteht, um diese sogenannte homomorphe Quantenverschlüsselung bei einem Quanten-Walk-Prozess zu implementieren. Quanten-Walks sind interessante, zweckgebundene Beispiele für Quantenberechnungen, weil sie für klassische Computer schwierig, für einzelne Photonen jedoch relativ leicht realisierbar sind.

Durch die Kombination einer integrierten photonischen Plattform, die an der Polytechnischen Universität Mailand gebaut wurde, mit einem neuartigen theoretischen Vorschlag, der an der Singapore University of Technology and Design entwickelt wurde, stellten die Wissenschaftler*innen an der Universität Wien die Sicherheit der verschlüsselten Daten unter Beweis und analysierten das Verhalten bei immer komplexeren Berechnungen.

Das Team konnte zeigen, dass die Sicherheit der verschlüsselten Daten umso besser wird, je größer die Dimension der Quanten-Walk-Berechnung wird. Neuere theoretische Arbeiten deuten weiters darauf hin, dass zukünftige Experimente, die mehrere photonische Freiheitsgrade nutzen, auch zu einer Verbesserung der Datensicherheit beitragen: Man kann auf weitere Optimierungen in der Zukunft zählen. "Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich das Sicherheitsniveau noch weiter verbessert, wenn die Anzahl der Photonen, die die Daten tragen, erhöht wird", sagt Philip Walther und schließt: "Das ist aufregend und wir erwarten weitere Entwicklungen für die sichere Datenverarbeitung mit einem Quantencomputer in der Zukunft".

Publikation in "NPJ Quantum Information":
Jonas Zeuner, Ioannis Pitsios, Si-Hui Tan, Aditya Sharma, Joseph Fitzsimons, Roberto Osellame and Philip Walther, Experimental Quantum Homomorphic Encryption, npj Quantum Information 7, 25 (2021); DOI: 10.1038/s41534-020-00340-8