Blind Transpiler: An open-source library for universally blind and homomorphic quantum computations

कल्पना कीजिए कि इंटरनेट एक विशाल, हलचल भरी लाइब्रेरी है जहाँ आप एक लाइब्रेरियन से अपना होमवर्क करने के लिए कह सकते हैं। शास्त्रीय दुनिया (classical world) में, आपको अपने बिखरे हुए नोट्स, अपने विशिष्ट प्रश्न और अपने अंतिम उत्तर उसे सौंपने पड़ते, और इस बात पर भरोसा करना होता कि लाइब्रेरियन आपके रहस्यों में झाँकेगा नहीं या आपके विचारों को चुराएगा नहीं। लेकिन क्या होगा अगर लाइब्रेरियन रोशनी से बने मस्तिष्क वाला एक सुपर-स्मार्ट रोबोट हो? यह क्वांटम कंप्यूटिंग की दुनिया है। यह उन समस्याओं को हल करने का वादा करती है जिन्हें हल करने में सामान्य कंप्यूटरों को लाखों साल लग जाएंगे, लेकिन इसके साथ एक शर्त भी आती है: इसका उपयोग करने के लिए, आपको आमतौर पर अपनी गोपनीयता छोड़नी पड़ती है। आपको अपना डेटा एक रिमोट "क्वांटम क्लाउड" को भेजना पड़ता है, और यह डर बना रहता है कि क्लाउड प्रदाता देख सकता है कि आप क्या कर रहे हैं।

यहीं पर "ब्लाइंड क्वांटम कंप्यूटेशन" (Blind Quantum Computation) नामक एक चतुर अवधारणा आती है। इसे एक जादूगर को एक सीलबंद, बंद डिब्बा भेजने की तरह समझें। आप जादूगर को डिब्बा देते हैं, और वह उस पर एक जटिल ट्रिक करता है। जब वह डिब्बा वापस भेजता है, तो वह अभी भी बंद होता है, लेकिन अब उसमें ट्रिक का परिणाम होता है। जादूगर ने कभी नहीं देखा कि डिब्बे के अंदर क्या था, और उसने अंतिम उत्तर भी नहीं देखा। उसने बस काम किया। यह पेपर पहले से पहले ऐसे "अनुवादक" (translator) टूल बनाने के बारे में है जो आम लोगों को उनके क्वांटम होमवर्क को इन सीलबंद, जादुई बक्सों में बदलने में मदद करता है, ताकि वे बिना किसी जासूसी के क्लाउड का उपयोग कर सकें।

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समस्या: क्वांटम क्लाउड्स का "कांच का घर"

अभी, यदि आप क्वांटम कंप्यूटर का उपयोग करना चाहते हैं, तो आपको अपना डेटा एक रिमोट सर्वर पर भेजना होता है। यह पूरी तरह से कांच से बने घर में रहने जैसा है; सर्वर देख सकता है कि आप क्या कर रहे हैं। हालांकि यह गति के लिए बहुत अच्छा है, लेकिन गोपनीयता के लिए यह बहुत बुरा है। आप एक गुप्त मेडिकल एल्गोरिदम या एक निजी वित्तीय मॉडल चला रहे हो सकते हैं, और आप नहीं चाहते कि सर्वर मालिक को पता चले कि आप क्या गणना कर रहे हैं।

वैज्ञानिकों ने पहले ही इसे छिपाने का तरीका खोज लिया है। उन्होंने "ब्लाइंड क्वांटम कंप्यूटेशन" (BQC) विकसित किया है। यह एक क्रिप्टोग्राफिक ट्रिक है जहाँ आप अपना डेटा और अपने निर्देश भेजने से पहले उन्हें एन्क्रिप्ट करते हैं। सर्वर गणित करता है, लेकिन जो परिणाम उसे वापस मिलता है, वह उन लोगों के लिए रैंडम शोर (random noise) जैसा दिखता है जिनके पास गुप्त कुंजी (secret key) नहीं है। केवल आप, यानी क्लाइंट, ही अंतिम उत्तर को अनलॉक कर सकते हैं।

हालाँकि, एक बहुत बड़ा हिस्सा गायब था: किसी ने भी इसे आसान बनाने के लिए कोई टूल नहीं बनाया था। शोधकर्ताओं को हर बार एक नया विचार परीक्षण करने के लिए स्क्रैच से सारा जटिल एन्क्रिप्शन कोड लिखना पड़ता था। यह केक बनाने की कोशिश करने जैसा था लेकिन पहले आपको ओवन और आटा मिल का आविष्कार करना पड़ता था। इसने इन गोपनीयता विचारों को तेज़ी से परीक्षण करना या यह देखना बहुत कठिन बना दिया कि वे वास्तव में वास्तविक दुनिया में कैसे काम करते हैं।

समाधान: "ब्लाइंड ट्रांसपिलर" (The Blind Transpiler)

यहाँ ब्लाइंड ट्रांसपिलर आता है, जो मोहित जोशी, मनोज कुमार मिश्रा और एस. कार्तिकेयन द्वारा बनाया गया एक नया ओपन-सोर्स सॉफ्टवेयर लाइब्रेरी है। आप इस लाइब्रेरी को क्वांटम सर्किट के लिए एक "यूनिवर्सल ट्रांसलेटर" के रूप में देख सकते हैं।

यह सरल शब्दों में इस प्रकार काम करता है:

1. आप अपना कोड सामान्य रूप से लिखते हैं: आप Qiskit नामक एक लोकप्रिय टूल का उपयोग करके एक क्वांटम सर्किट (एक क्वांटम गणना के लिए रेसिपी) बनाते हैं।
2. ट्रांसपिलर कार्यभार संभालता है: आप इस रेसिपी को ब्लाइंड ट्रांसपिलर में डालते हैं।
3. जादू होता है: लाइब्रेरी स्वचालित रूप से आपकी रेसिपी को फिर से लिखती है। यह "एन्क्रिप्शन" की परतें जोड़ती है (जैसे अपने निर्देशों को अदृश्य, बदलते हुए कागज में लपेटना) और "डेलीगेशन" (निर्देश कि सर्वर को लिपटे हुए कागज के साथ कैसे व्यवहार करना चाहिए) जोड़ती है।
4. परिणाम: यह आपके सर्किट का एक नया, "ब्लाइंड" संस्करण तैयार करता है। यह नया सर्किट एक रिमोट सर्वर को भेजा जा सकता है। सर्वर काम करता है, लेकिन वह केवल डेटा का एक उलझा हुआ ढेर देखता है। उसे नहीं पता कि मूल समस्या क्या थी, और न ही उसे अंतिम उत्तर पता है।

यह लाइब्रेरी मॉड्यूलर है, जिसका अर्थ है कि यह ब्लॉक्स के एक सेट की तरह बनाई गई है। यदि भविष्य में वैज्ञानिक डेटा छिपाने का नया तरीका खोजते हैं, तो वे पूरे सिस्टम को फिर से बनाए बिना लाइब्रेरी में एक नया ब्लॉक जोड़ सकते हैं।

उन्होंने क्या परीक्षण किया: आइरिस फ्लावर क्लासिफायर (The Iris Flower Classifier)

यह साबित करने के लिए कि उनका टूल वास्तव में काम करता है, लेखकों ने केवल बातें नहीं कीं; उन्होंने एक वास्तविक समस्या को हल करने के लिए इसका उपयोग किया। उन्होंने प्रसिद्ध IRIS डेटासेट को वर्गीकृत करने के लिए एक ब्लाइंड वेरिएशनल क्वांटम क्लासिफायर बनाया।

IRIS डेटासेट फूलों के माप का एक क्लासिक संग्रह है। इसमें 150 फूलों के नमूनों का डेटा है, जिन्हें तीन प्रकारों में वर्गीकृत किया गया है: सेटोसा (Setosa), वर्सिकलर (Versicolor), और वर्जिनिका (Virginica)। लक्ष्य एक क्वांटम कंप्यूटर को प्रशिक्षित करना है कि वह फूल के मापों को देखे और उसके प्रकार का अनुमान लगाए।

यहाँ उन्होंने क्या किया:

• उन्होंने एक सरल क्वांटम सर्किट बनाया जिसमें 4 पैरामीटर (समायोज्य नॉब्स) और 2 क्यूबिट्स (क्वांटम बिट्स) थे जो क्लासिफायर के मस्तिष्क के रूप में कार्य करते हैं।
• उन्होंने इस सर्किट को क्वांटम होमोमोर्फिक एन्क्रिप्शन (QHE) नामक प्रारूप का उपयोग करके एक "ब्लाइंड" संस्करण में बदलने के लिए ब्लाइंड ट्रांसपिलर का उपयोग किया।
• उन्होंने मॉडल को प्रशिक्षित करने के लिए सिमुलेशन को 50 बार (epochs) चलाया, और परिणामों की निरंतरता सुनिश्चित करने के लिए इसे 5 अलग-अलग रन पर परीक्षण किया।

परिणाम: सादे दिखने में छिपा हुआ

परिणाम इस टूल के लिए एक स्पष्ट "हाँ" थे।

जब उन्होंने सही डिक्रिप्शन (यानी उत्तर को अनलॉक करने का "जादू" लागू किए बिना) के बिना ब्लाइंड सर्किट चलाया, तो आउटपुट पूरी तरह से बेकार था। जैसा कि उनके सिमुलेशन में दिखाया गया है, परिणाम रैंडम शोर की तरह दिखे। यह बिल्कुल वही है जो आप चाहते हैं! यह साबित करता है कि यदि कोई डेटा को बीच में रोकता है या यदि सर्वर झाँकने की कोशिश करता है, तो वे कुछ भी नहीं देखते सिवाय एक 'मैक्सिमली मिक्स्ड स्टेट' के—जो रैंडम नंबरों का एक ऐसा जंबल है जो फूल या उत्तर के बारे में कुछ भी प्रकट नहीं करता।

हालाँकि, जब उन्होंने सही डिक्रिप्शन प्रक्रिया लागू की, तो क्लासिफायर पूरी तरह से काम कर गया। इसने डेटा के पैटर्न को सीखा और फूलों को सफलतापूर्वक अलग किया, ठीक वैसे ही जैसे मूल, नॉन-ब्लाइंड संस्करण ने किया।

लेखकों ने इसे थ्री-क्यूबिट GHZ स्टेट (क्वांटम एंटैंगलमेंट का एक विशिष्ट प्रकार) पर भी परखा। उन्होंने 1,000 रैंडम कीज़ पर आउटपुट को सैंपल किया। हर बार, बिना सही की (key) के, आउटपुट रैंडम था। सही की के साथ, यह सही था। इसने पुष्टि की कि टूल सफलतापूर्वक डेटा और गणना को छिपाता है।

यह क्यों महत्वपूर्ण है

यह पेपर यह दावा नहीं करता कि इसने दुनिया की सभी गोपनीयता समस्याओं को हल कर दिया है, न ही यह कहता है कि यह टूल कल व्यावसायिक उपयोग के लिए तैयार है। इसके बजाय, यह एक महत्वपूर्ण अंतर को भरता है: यह तीव्र प्रोटोटाइपिंग के लिए पहला सॉफ्टवेयर टूल प्रदान करता है।

इससे पहले, यदि कोई शोधकर्ता एक नया गोपनीयता प्रोटोकॉल परीक्षण करना चाहता था, तो उसे कोड लिखने में महीनों लग जाते थे। अब, वे इस लाइब्रेरी का उपयोग करके अपने सर्किट को बदल सकते हैं, जिससे इस क्षेत्र में अनुसंधान में तेजी आती है। इससे वैज्ञानिक समुदाय को निम्नलिखित लाभ मिलते हैं:

• विचारों का तेजी से परीक्षण करना: वे जल्दी से देख सकते हैं कि क्या एक नई गोपनीयता विधि काम करती है।
• सुरक्षा का अनुकरण (Simulate) करना: वे यह सुनिश्चित करने के लिए हजारों सिमुलेशन चला सकते हैं कि डेटा वास्तव में छिपा हुआ है।
• भविष्य का निर्माण करना: जैसे-जैसे क्वांटम कंप्यूटर लैब से क्लाउड की ओर बढ़ेंगे, इस तरह के उपकरण हमारे डेटा को सुरक्षित रखने के लिए आवश्यक होंगे।

यह लाइब्रेरी ओपन-सोर्स है, जिसका अर्थ है कि कोई भी इसे डाउनलोड कर सकता है, कोड देख सकता है, और यहाँ तक कि इसमें अपने स्वयं के फीचर्स भी जोड़ सकता है। यह एक ऐसे भविष्य की ओर एक आधारभूत कदम है जहाँ हम अपनी डिजिटल आँखों पर पट्टी बांधे बिना अविश्वसनीय क्वांटम कंप्यूटरों की शक्ति का उपयोग कर सकते हैं।