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.