Kvantedatamaskiner og IoT

If you think you understand quantum mechanics, you don’t understand quantum mechanics. (Richard Feynman)

Notater fra et seminar i Forskningsparken. Advarsel: Notater tatt underveis – mangler, misforståelser og digresjoner i massevis.

Hva er en kvantedatamaskin? Franz Fuchs (SINTEF)
Introduction: Google’s «quantum supremacy» isn’t that… Quantum computers outperform regular computers on certain tasks (such as integer factorisation) but are unlikely to have practical use in the near future. Moore’s law is saturating, transition to a quantum age. Short history of quantum computing:

Quantum computers are at the stage of ENIAC at this point.
Two challenges for quantum computers: Hardare and software. Lots of research: EU has a quantum computing technologies flagship, worth 1b Euros, similar in the US and China. IBM has done a lot of research, up to 20 qubits devices. D-Wave uses quantum annealing, a kind of analog computing, free access for 1 minute, open source python tools. Alibaba, Microsoft, Google all experiment. Intel, Rigetti has technologies (the latter a hybrid), IonQ. In sum: Heavy investments into development from many parties. But: Classical algorithms run on a quantum computer will not run faster. Shor’s algorithm is not parallelism… Developments:

Applications will be quantum chemistry, AI, optimization, and simulations. In addition, cryptography, China is using quantum satellites to have safe video calls, and a quantum tunnel between Beijing and Shanghai, though this is not strictly quantum computing.

Question: Quality of qubits? IBM has a measure, depends on errors in measuring, connections, etc.

Question: Languages? A number of high-level languages (QISKit, Forest), mostly assembly at this point. Will be more general.

Kvanteberegning og IoT. Ketil Stølen
Naivt bilde av IoT: Data opp i skyen. Pipeline en flaskehals, dermed går man til fog computing (LAN-nivå) og edge computing (tingene selv). Stort problem at teknologien er fragmentert og umoden, mangler særlig testet software for integrering og interaksjon. Sikkerhet ofte et problem på grunn av manglende kapasitet. Samtidig gir nettforbindelse en kolossal angrepsflate. Eksempel: Casino angrepet gjennom et akvarium som sto i foajeen. Et annet problem er at man er svært avhengig av leverandører. Personvern også et stort problem – og mye av motivasjonen for edge computing.

Kan QC hjelpe til med disse problemene? Masse hype. Noen problemer: Størrelse (pga. behov for superkjøling.) På kort sikt må man jobbe med store QC-maskiner, hvordan kan dette gjøres. Forskning ved Delft snakker om behov for algoritmekunnskap go lokale satellitt-maskiner. Problem er at QC gir omtrentlige svar. Min digresjon: Bør kunne brukes til PGP-oppaknining og løsning av visse typer knapsack-problemer, der en omtrentlig løsning er bra nok.

Kvanteberegning ned til fog og edge vil antakelig kunne takle et sikkerhetsproblem. Kontra: QC kan føre til at man kanskje lager sikrere arkitekturer fra bunnen av.

Diskusjon: Ca. 95 algoritmer der man har funnet at QC er raskere, det er nokså lite. Optimalisering det som D-Wave driver med, annealing fungerer for optimalisering. Men smalt spektrum av brukerområder til nå.

En arkitektur som ikke er nevnt: Photonic quantum computing, skal kunne ha romtemperaturløsninger om 5-10 år. Gir et sikkerhetsproblem ved at dagens kryptering ikke holder for fremtidige metoder.

Kvantekryptering, kvantehacking og sikkerhet. Johannes Skaar (UiO)
Kvantekryptering kan gjøres i dag med en liten dings, Sende fire fotoner som detekteres, enkelt å gjøre. Quantum key distribution trenger en ekstra kanal, BB84-protokoll:

Dette er sikkert pga to prinsipper: Ikke mulig å klone kvanteinformasjon. Måling vil forstyrre kommunikasjonen. I praksis: nokså enkelt å hacke kvantekommunikasjon. Kvantehacking, russer (Vadim Makarov) med postdoc på UiO, laget en koffert som kunne gjøre dette.

Alternativer til kvantekryptering: Assymetrisk offentlig nøkkelkryptering. Symmetrisk privat nøkkelkryptering, Oppsummering: Mange problemer med kvantekryptering, men verdt å forske på dersom vi mister assymetrisk kryptering som alternativ.

Kvanteresistent kryptografi. Thomas Gregersen (NSM)
QC et problem fordi tradisjonelle algoritmer brukes lenge etter at de er obsolent, derfor må vi utvikle kvanteresistent krypto før QC finnes. Grovers algoritme (generell) og Shors algoritme (spesiell for integer faktorisering) er utfordring fordi den finner løsninger i lineær tid. Initiativer fra NIST og PQCRYPTO (EU) mot å utvikle dette.

Nye algoritmer vil måtte ha nøkler og signaturer som ikke tar for stor plass. Skal ikke ta for lang tid, og bruke kjente vanskelige beregningsprosesser. Mange kandidater:

En hel del av dette kommer til å bli implementert, scenariet er at det skal kunne kjøres på en klassisk maskin og beskytte mot en angriper med tilgang til kvanteanalyse. Ulike algoritmer har ulike fordeler/ulemper, mulig at man kan løse dette ved å rullere algoritmer for samme melding. Men det gjenstår å se om det rent praktisk er relevant å lage maskiner som kan angripe skikkelig krypto, men vi må bruke tid på denne forskningen i tilfelle noen klarer det.

Diskusjon: Mye av kryptoknekking skjer pga. dårlig implementering. Det å øke antallet algoritmer gjør at man øker risikoen for dårlige implementeringer, særlig i hardwarebaserte løsninger. Fascinerende at dette er det samme vi har sett før: Nytt domene, blir et nytt kappløp mellom knekkere og kodere.

Kvanteberegning og kunstig intelligens. Phillip Turk (SINTEF)
Innledning om AI og ulike metoder, fokus på søkealgoritmer, siden mye AI går ut på å søke over et stort antall mulige løsninger. Algoritmer er forskjellige – input er hvordan man organiserer gates – alle løsninger finnes i superposisjonene, algoritmene siler seg frem til den korrekte løsningen.

Kommentar: Kan man bruke en QC til å finne heuristikk som så kan gjøres om til en algoritme som kan brukes av en vanlig datamaskin? Første anvendelse antakelig maskinlæring ved hjelp av quantum annealing, kanskje innen ti år. Ennå ingen problemer der man har quantum supremacy, noe uklart om vi har det ennå, men det kan kanskje komme for et eller annet problem snart.

Kommenter

Fyll inn i feltene under, eller klikk på et ikon for å logge inn:

WordPress.com-logo

Du kommenterer med bruk av din WordPress.com konto. Logg ut /  Endre )

Google-bilde

Du kommenterer med bruk av din Google konto. Logg ut /  Endre )

Twitter-bilde

Du kommenterer med bruk av din Twitter konto. Logg ut /  Endre )

Facebookbilde

Du kommenterer med bruk av din Facebook konto. Logg ut /  Endre )

Kobler til %s