Ερευνητές κατάφεραν να συνδέσουν την κβαντική υπεροχή με τις αρχές της κρυπτογράφησης

Επιστήμονες από το Kyoto University προχώρησαν σε μια σημαντική ανακάλυψη που αναμένεται να επηρεάσει βαθιά τον τομέα της κβαντικής πληροφορικής αλλά και της κρυπτογραφίας. Μέσω της μελέτης τους, κατάφεραν να συνδέσουν το λεγόμενο «κβαντικό πλεονέκτημα», δηλαδή την ικανότητα των κβαντικών υπολογιστών να ξεπερνούν τις δυνατότητες των κλασικών υπολογιστών, με την ασφάλεια ορισμένων κρυπτογραφικών γρίφων. Πρόκειται για μια εντυπωσιακή ενοποίηση δύο φαινομενικά διαφορετικών επιστημονικών πεδίων, που υπόσχεται να επαναπροσδιορίσει τα θεμέλια τόσο της πληροφορικής όσο και της ασφάλειας δεδομένων.

Το κβαντικό πλεονέκτημα αποτελεί εδώ και χρόνια αντικείμενο ερευνών και προβλέψεων στον χώρο της τεχνολογίας. Αν και έχει διατυπωθεί θεωρητικά ότι οι κβαντικοί υπολογιστές μπορούν να λύσουν ορισμένα προβλήματα ταχύτερα από τα συμβατικά μηχανήματα, δεν είναι ακόμα ξεκάθαρο υπό ποιες συνθήκες προκύπτει αυτό το πλεονέκτημα. Πολλές μελέτες έχουν προτείνει συνθήκες υπό τις οποίες μπορεί να επιτευχθεί, ωστόσο η ουσιαστική κατανόηση των αναγκαίων και ικανών όρων για την ύπαρξή του παρέμενε ασαφής.

Η ομάδα του Kyoto University επιδίωξε να καλύψει αυτό το κενό. Συνδύασε εργαλεία από την κβαντική πληροφορική και την κρυπτογραφία, προκειμένου να διερευνήσει εις βάθος τις προϋποθέσεις που καθορίζουν το πότε οι κβαντικοί υπολογιστές πραγματικά υπερτερούν. Το ερευνητικό επίκεντρο ήταν ένα είδος διαδραστικών πρωτοκόλλων, γνωστά ως "inefficient-verifier proofs of quantumness". Αυτά επιτρέπουν σε έναν αξιολογητή χωρίς κβαντικό υπολογιστή να επαληθεύσει πως ο συνομιλητής του διαθέτει όντως κβαντική υπολογιστική ισχύ.

Η καινοτομία έγκειται στο ότι η ύπαρξη αυτών των πρωτοκόλλων αποδείχθηκε ότι εξαρτάται από την ύπαρξη ενός συγκεκριμένου κρυπτογραφικού μηχανισμού, γνωστού ως "one-way puzzle", ένας γρίφος που μπορεί εύκολα να δημιουργηθεί αλλά είναι εξαιρετικά δύσκολο να αντιστραφεί. Μέσω αυτής της σύνδεσης, η ερευνητική ομάδα ανέπτυξε ένα νέο θεωρητικό πλαίσιο που ενοποιεί δύο βασικούς τομείς: τον κβαντικό υπολογισμό και την ασφάλεια των πληροφοριών.

Σύμφωνα με τον Yuki Shirakawa, επικεφαλής της μελέτης, το έργο τους κατάφερε να αποδείξει ισοδυναμία: το κβαντικό πλεονέκτημα υπάρχει μόνο όταν οι συγκεκριμένοι κρυπτογραφικοί γρίφοι είναι ασφαλείς, και το αντίστροφο. Πρόκειται για την πρώτη φορά που διατυπώνεται τόσο καθαρά και πλήρως ορισμός για το πότε και πώς προκύπτει το κβαντικό πλεονέκτημα.

Η σημασία αυτής της ανακάλυψης εκτείνεται πέρα από τον θεωρητικό τομέα. Αν δεν υπάρχει κβαντικό πλεονέκτημα, τότε καταρρέει και η ασφάλεια σχεδόν όλων των κρυπτογραφικών συστημάτων που μέχρι σήμερα θεωρούνται αξιόπιστα, τόσο σε επίπεδο κλασικών όσο και αναδυόμενων, μετα-κβαντικών τεχνολογιών. Αυτό ενδέχεται να έχει δραματικές συνέπειες για το σύνολο των συστημάτων ασφαλείας που βασίζονται σε κρυπτογράφηση, συμπεριλαμβανομένων εκείνων που χρησιμοποιούνται σε τραπεζικά συστήματα, υπηρεσίες cloud και κυβερνητικές υποδομές.

Επιπλέον, η αποδεδειγμένη σχέση ανάμεσα στην ασφάλεια της κρυπτογραφίας και την ύπαρξη κβαντικής υπεροχής μπορεί να χρησιμεύσει ως θεωρητικό θεμέλιο για μελλοντικά πειράματα. Οι ερευνητές πιστεύουν ότι η ενοποίηση αυτή θα υποστηρίξει όχι μόνο τις πρακτικές εφαρμογές της κβαντικής πληροφορικής, αλλά και την εξέλιξη της θεωρητικής έρευνας στο πεδίο.

Η ομάδα εκτιμά ότι μελλοντικές έρευνες θα μπορέσουν να επεκτείνουν αυτό το θεωρητικό πλαίσιο και σε άλλες μορφές κβαντικού πλεονεκτήματος, δημιουργώντας έναν πιο ευρύ και καθολικό ορισμό της κβαντικής υπεροχής. Με αυτό το έργο, ο δρόμος ανοίγει για μια νέα εποχή στην κατανόηση και εφαρμογή της κβαντικής τεχνολογίας, όπου η ασφάλεια της πληροφορίας και η υπολογιστική ισχύς ενοποιούνται με τρόπους που μόλις αρχίζουμε να αντιλαμβανόμαστε.

[via]