オックスフォード大学の科学者によるセキュリティとプライバシーの画期的な進歩により、企業は量子クラウドコンピューティングの実現に一歩近づきました。
研究者らは、「ブラインド量子コンピューティング」と呼ばれる手法を用いて、2つの量子コンピューティング装置を接続した（図A）。これは、自宅やオフィスにいる従業員がクラウド経由で量子サーバーにリモート接続する状況をシミュレートするものである。この手法では、量子サーバープロバイダーは計算の詳細を一切知る必要がなく、ユーザーの独自の作業は安全に保たれる。また、ユーザーは結果の真正性を容易に検証でき、誤りや破損がないことを確認できる。
図A
量子コンピューティングのセキュリティとプライバシーの確保は、これまでこの強力なテクノロジーの実現を阻んできた最も重大な障害の一つであるため、この研究によって量子コンピューティングが最終的に主流となる可能性が出てくる。
研究者たちは、今回の実験はまだ小規模なものにとどまっているものの、大規模な量子計算にまでスケールアップできる可能性があると述べています。量子クラウドコンピューティングサービスにアクセスする際に、作業者のデータを保護するプラグインデバイスの開発も期待されます。
オックスフォード大学物理学研究チームの共同責任者であるデイビッド・ルーカス教授は、プレスリリースで次のように述べている。「クラウド上の量子コンピューティングがスケーラブルかつ実用的な方法でアクセス可能であり、データの完全なセキュリティとプライバシーに加え、データの真正性を検証する能力も得られることを初めて実証しました。」
古典コンピュータは情報を1と0で表される2進ビットとして処理しますが、量子コンピュータは量子ビット、つまりキュービットを用いて処理します。キュービットは1と0の両方の状態で同時に存在しますが、どちらか一方となる確率は量子状態によって決まります。この特性により、量子コンピュータは問題を同時に解くことができるため、特定の計算を古典コンピュータよりもはるかに高速に実行できます。
量子クラウドコンピューティングとは、量子リソースがインターネットを介してリモートのユーザーに提供されるものであり、これにより、特別なハードウェアや専門知識を必要とせずに誰でも量子コンピューティングを利用できるようになります。
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「ブラインド量子コンピューティング」がより安全なのはなぜですか?
典型的な量子クラウドコンピューティングでは、ユーザーは解決しようとしている問題をクラウドプロバイダーに開示する必要があります。これは、プロバイダーのインフラストラクチャが問題の詳細を理解し、適切なリソースと実行パラメータを割り当てる必要があるためです。当然のことながら、独自の作業の場合、これはセキュリティ上の懸念事項となります。
このセキュリティリスクは、ブラインド量子コンピューティング方式によって最小限に抑えられます。これは、ユーザーが計算中にサーバーの量子プロセッサを遠隔操作するためです。データのセキュリティを維持するために必要な情報（入力、出力、アルゴリズムの詳細など）は、サーバーがそれらに基づいていかなる決定も行わないため、クライアントのみが知る必要があります。
「クラウドコンピューティングと人工知能の時代ほど、データとコードのプライバシーをめぐる問題が緊急に議論されたことは歴史上かつてない」とルーカス教授はプレスリリースで述べた。
「量子コンピュータの能力が向上するにつれて、人々はネットワーク上で完全なセキュリティとプライバシーを確保しながら量子コンピュータを利用しようとするでしょう。私たちの新たな研究結果は、この点で能力の飛躍的な向上を示しています。」
ブラインド量子クラウドコンピューティングはどのように機能しますか?
ブラインド量子クラウドコンピューティングでは、光子（光の粒子）を検出できるクライアントコンピュータを光ファイバーケーブルで量子コンピューティングサーバーに接続する必要があります（図B）。サーバーは単一光子を生成し、光ファイバーネットワークを介して送信し、クライアントが受信します。
図B
次に、クライアントは光子の偏光、つまり向きを測定し、それによってサーバーを遠隔操作して目的の計算を実行する方法を指示します。サーバーは計算に関する情報にアクセスすることなく実行できるため、安全性が確保されます。
計算結果に誤りや改ざんがないことをさらに保証するために、追加のテストを実施することができます。ブラインド量子計算では、改ざんによってデータのセキュリティが損なわれることはありませんが、結果が破損し、クライアントが気付かないままになる可能性があります。
「量子力学の法則は情報のコピーを許さず、サーバーや盗聴者がメモリの状態を観測しようとすると、計算が破壊される」と、研究リーダーのピーター・ドルモタ博士はTechRepublicへのメールで説明した。「その場合、ユーザーは『検証』と呼ばれる機能を使ってサーバーが忠実に動作していないことに気づき、少しでも疑問があればサービスの利用を中止することになるだろう。」
「サーバーは計算に対して「盲目」であるため、つまり、異なる計算を区別することができないため、クライアントは結果を簡単に確認できる簡単なテストを実行することでサーバーの信頼性を評価できます。
「これらのテストは、サーバーが正しく動作し、実際の計算結果が正しいと信頼できる十分な証拠が得られるまで、実際の計算と交互に実行することができます。これにより、正当なエラーだけでなく、計算を改ざんしようとする悪意のある試みもクライアントによって検出できるようになります。」
図C
研究者たちは、ブラインド量子クラウドコンピューティング実験を通じて何を発見したのでしょうか?
論文によると、研究者たちは、この手法で生成された計算が「堅牢かつ確実に検証可能」であることを発見した。これは、クライアントが結果が改ざんされていないことを信頼できることを意味する。また、計算を実行するために操作される量子要素の数を「サーバー内の物理量子ビット数を増やすことなく、またクライアントのハードウェアに変更を加えることなく」増やすことができるため、スケーラビリティも備えていると研究者らは述べている。
ドゥルモタ博士はプレスリリースで次のように述べています。「ブラインド量子コンピューティングを用いることで、クライアントは遠隔地の量子コンピュータにアクセスし、秘密のアルゴリズムを用いて機密データを処理し、さらには結果の正しさを検証することさえ可能になります。しかも、有用な情報を漏らすことはありません。このコンセプトの実現は、量子コンピューティングとオンライン情報の安全確保の両面において大きな前進です。」
この研究は、英国量子コンピューティング・シミュレーション・ハブ（民間企業と政府機関の支援を受ける17の大学からなる共同体）の資金提供を受けて実施されました。同ハブは、英国国家量子技術計画における4つの量子技術ハブの1つです。
量子コンピューティングはビジネスにどのような影響を与えるでしょうか?
量子コンピューティングは従来のコンピューティングをはるかに凌駕する性能を備えており、研究段階からスケールアウトできれば、私たちの働き方に革命をもたらす可能性があります。例えば、サプライチェーンの問題解決、経路の最適化、通信のセキュリティ確保などが挙げられます。
2月、英国政府は量子コンピューティングへの4,500万ポンド（5,700万ドル）の投資を発表しました。この資金は、量子コンピューティングの実用化を模索し、2033年までに「量子対応経済」を構築するために充てられます。3月には、閣僚宣言において量子コンピューティングが特に取り上げられ、G7諸国は量子技術の開発を促進し、産学連携を強化するために協力することで合意しました。今月には、英国で2台目の商用量子コンピュータが稼働を開始しました。
膨大な電力と冷却システムを必要とするため、現在市販されている量子コンピュータはごくわずかです。しかし、大手クラウドプロバイダーの中には、企業顧客や研究者向けにいわゆる「サービスとしての量子コンピューティング（QaaS）」を提供しているところもあります。例えば、GoogleのCirqはオープンソースの量子コンピューティングプラットフォームであり、Amazon Braketではユーザーがローカルの量子シミュレーターでアルゴリズムをテストできます。IBM、Microsoft、AlibabaもQaaSを提供しています。
動画：従来のソフトウェア開発者が量子コンピューティングについて知っておくべきこと
しかし、量子コンピューティングを大規模に展開し、ビジネスアプリケーションに利用できるようになる前に、顧客データのプライバシーとセキュリティを確保しながら実現できることを確実にすることが不可欠です。オックスフォード大学の研究者たちは、Physical Review Letters誌に掲載された新たな研究で、まさにこの目標の達成を目指しました。
Drmota博士はTechRepublicへのメールで次のように述べている。「強力なセキュリティ保証があれば、強力な量子クラウドコンピューティングサービスが利用可能になれば、バッテリーや医薬品などの新技術の開発を加速させるだけでなく、個人の医療情報、知的財産、防衛といった機密性の高いデータを扱うアプリケーションにも利用できるようになります。これらのアプリケーションはセキュリティ強化なしでも利用可能ですが、広く利用される可能性は低くなります。」
「量子コンピューティングは機械学習を劇的に向上させる可能性を秘めています。これにより、より優れた、より適応性の高い人工知能の開発が飛躍的に加速し、既にあらゆる分野のビジネスに影響を与えていることが分かります。」
量子コンピューティングが今後5～10年で私たちの生活に影響を与えることは考えられますが、今後のイノベーションの本質を正確に予測することは困難です。ユーザーがこの新しいツールの使い方や仕事への応用方法を学び始めるにつれて、継続的な適応プロセスが生まれると予想しています。これは、AIが現在、主流の職場で徐々に重要性を増しているのと似ています。
「私たちの研究は今のところ、かなり一般的な仮定に基づいていますが、企業が量子コンピューティングの可能性を探り始めると、より具体的な要件が生まれ、研究は新たな方向に進むでしょう。」
