Design and demonstration of a protocol for quantum-enhanced secure delegated computing

Quantum technologies aim to exploit the non-classical effects predicted by quantum mechanics, such as superposition and entanglement, to achieve performances unattainable with classical devices. A number of innovative applications have been proposed, in the last two decades, in the fields of metrology, sensing, computing and cryptography,and were also experimentally demonstrated. More recently, a considerable effort has been spent in order to bring experiments out of laboratories, namely engineering quantum devices in order to improve current technology standards and constitute the new state-of-art. In this context, optical photons appear as a particularly suitable platform for applications requiring long coherence times and transmission over long distances. A particularly compelling scenario is that of quantum networks, where cryptography and quantum information processing are distributed over large geographical regions, in analogy with current telecommunication systems. The work presented in this thesis, carried out in the framework of an internship at the Ultrafast Quantum Optics and Optical Metrology group, University of Oxford, aims to investigate the suitability of photonic quantum information processing for security applications. We present here the design, implementation and experimental demonstration of a protocol for secure multiparty delegated computing achieved with quantum resources. More specifically, we show how the computational capability of a set of clients can be improved using simple quantum resources, provided by a quantum server, and single-qubit gates. Each client provides one classical bit to the computation, while the server enables them to jointly evaluate a boolean function with a complexity beyond the capability of a single client. Furthermore, the operation is performed without disclosing the value of each client's bit to other parties, as well as the value of computed function remains hidden to server. This provides a demonstration of how quantum information can be exploited to improve computational resources in a multiparty scenario, while preserving the privacy of all parties. In a second stage, we present an experimental demonstration of the protocol with polarization-encoded photonic qubits. Exploiting well-known results of quantum optics, we realised an implementation with single photons in bulk optics. The whole demonstration was performed in accordance with applicability criteria, working at telecommunication wavelength (1550 nm), with standard optical components, a compact, on-chip integrated source, and semiconductor-based avalanche single-photon detectors. We eventually present the statistical results on a sample set of computations performed. We show that a high rate of correct outcomes is obtained, while the experimental error, which limits the ultimate accuracy, can be further reduced. Moreover, we simulated an attempt to disclose information by a malicious server, and we show how data is kept private as long as the execution of the protocol is correctly performed.

Obiettivo delle tecnologie quantistiche è impiegare effetti non-classici predetti dalla meccanica quantistica, quali sovrapposizione ed entanglement, per ottenere prestazioni irraggiungibili attraverso dispositivi tradizionali. Numerose applicazioni sono state proposte, nell’arco degli ultimi venti anni, nei campi della metrologia, del sensing, della computazione e della crittografia, mentre numerose dimostrazioni sperimentali hanno regolarmente confermato l’accordo con la teoria. Più di recente, un notevole sforzo è stato speso per portare gli esperimenti al di fuori dei laboratori, ossia ingegnerizzare i dispositivi quantistici per migliorare gli attuali standard tecnologici, e costituire il nuovo stato dell’arte. In questo contesto, i fotoni ottici costituiscono una piattaforma particolarmente adatta per quelle applicazioni che richiedono lunghi tempi di coerenza e comunicazione su lunghe distanze. Queste caratteristiche combaciano con i requisiti delle cosiddette quantum networks, in cui crittografia e computazione quantistiche sono distribuite su ampie aree geografiche, in analogia con gli attuali sistemi di telecomunicazione. Il lavoro presentato in questa tesi, svolto nell’ambito di un tirocinio presso il gruppo di Ultrafast Quantum Optics and Optical Metrology presso l’Università di Oxford, è volto ad indagare la possibilità di impiego di tecniche di quantum information processing ottico per applicazioni di sicurezza informatica. Presentiamo qui il progetto, l’implementazione e la dimostrazione sperimentale di un protocollo di computazione delegata e sicura, ottenuta attraverso risorse quantistiche. Più precisamente, mostriamo come la capacità computazionale di un insieme di client può essere aumentata utilizzando semplici risorse quantistiche, fornite da un server, e porte a singolo qubit. Ogni client fornisce un bit, necessario al calcolo, operato dal server, di una funzione booleana la cui complessità è superiore alla capacità del singolo client. Inoltre, l’operazione è eseguita senza svelare il valore dei bit di ciascun client alle altre parti, mentre il valore assunto dalla funzione rimane ignoto al server. Questo protocollo fornisce una dimostrazione di come l’informazione quantistica possa essere impiegata per aumentare le risorse computazionali in un sistema a molte parti, pur preservando la privacy dei singoli soggetti. In una seconda fase, presentiamo una dimostrazione sperimentale del protocollo con qubit ottici codificati in polarizzazione. Impiegando ben noti risultati di ottica quantistica, abbiamo realizzato un’implementazione con singoli fotoni in ottica discreta. L’intera dimostrazione è stata costruita in accordo con criteri di applicabilità, lavorando a lunghezze d’onda per telecomunicazioni (1550 nm), con componentistica standard, una sorgente compatta, integrata su chip, e rivelatori di singolo fotone basati su fotodiodi a valanga. Presentiamo infine i risultati statistici ottenuti su un campione di calcoli eseguiti. Mostriamo come la percentuale di risultati corretti sia alta, mentre l’accuratezza è limitata dall’errore sperimentale, che lascia intravedere possibilità di miglioramento. Inoltre, abbiamo simulato un tentativo di ottenere informazione da parte di un server malevolo, e mostriamo come la privacy sia garantita fintanto che il protocollo è eseguito correttamente.