Квантовые компьютеры: как они появились и как устроены сейчас

Наука и жизньНаука

Квантовые компьютеры

Кандидат физико-математических наук Л. Федичкин (Физико-технологический институт Российской академии наук)

Используя законы квантовой механики, можно создать принципиально новый тип вычислительных машин, которые позволят решать некоторые задачи, недоступные даже самым мощным современным суперкомпьютерам. Резко возрастёт скорость многих сложных вычислений; сообщения, посланные по линиям квантовой связи, невозможно будет ни перехватить, ни скопировать. Сегодня уже созданы прототипы этих квантовых компьютеров будущего.

Введение, или немного о защите информации

Как вы думаете, на какую программу в мире продано наибольшее количество лицензий? Не рискну настаивать, что знаю правильный ответ, но мне точно известен один неверный: это не какая-либо из версий Microsoft Windows. Самую распространённую операционную систему опережает скромный продукт фирмы RSA Data Security, Inc. — программа, реализующая алгоритм шифрования с открытым ключом RSA, названный так в честь его авторов — американских математиков Ривеста, Шамира и Адельмана.

Дело в том, что алгоритм RSA встроен в большинство продаваемых операционных систем, а также во множество других приложений, используемых в различных устройствах — от смарт-карт до сотовых телефонов. В частности, имеется он и в Microsoft Windows, а значит, распространён заведомо шире этой популярной операционной системы. Чтобы обнаружить следы RSA, к примеру, в браузере Internet Explorer (программе для просмотра www-страниц в сети Интернет), достаточно открыть меню «Справка» (Help), войти в подменю «О программе» (About Internet Explorer) и просмотреть список используемых продуктов других фирм. Ещё один распространённый браузер Netscape Navigator тоже использует алгоритм RSA. Вообще, трудно найти известную фирму, работающую в области высоких технологий, которая не купила бы лицензию на эту программу. На сегодняшний день фирма RSA Data Security, Inc. продала уже более 450 миллионов (!) лицензий.

Почему же алгоритм RSA оказался так важен?

Представьте, что вам необходимо быстро обменяться сообщением с человеком, находящимся далеко. Благодаря развитию Интернета такой обмен стал доступен сегодня большинству людей — надо только иметь компьютер с модемом или сетевой картой. Естественно, что, обмениваясь информацией по сети, вы бы хотели сохранить свои сообщения втайне от посторонних. Однако полностью защитить протяжённую линию связи от прослушивания невозможно. Значит, при посылке сообщений их необходимо зашифровать, а при получении — расшифровать. Но как вам и вашему собеседнику договориться о том, каким ключом вы будете пользоваться? Если послать ключ к шифру по той же линии, то подслушивающий злоумышленник легко его перехватит. Можно, конечно, передать ключ по какой-нибудь другой линии связи, например отправить его телеграммой. Но такой метод обычно неудобен и к тому же не всегда надёжен: другую линию тоже могут прослушивать. Хорошо, если вы и ваш адресат заранее знали, что будете обмениваться шифровками, и потому заблаговременно передали друг другу ключи. А как быть, например, если вы хотите послать конфиденциальное коммерческое предложение возможному деловому партнёру или купить по кредитной карточке понравившийся товар в новом Интернет-магазине?

В 1970-х годах для решения этой проблемы были предложены системы шифрования, использующие два вида ключей для одного и того же сообщения: открытый (не требующий хранения втайне) и закрытый (строго секретный). Открытый ключ служит для шифрования сообщения, а закрытый — для его дешифровки. Вы посылаете вашему корреспонденту открытый ключ, и он шифрует с его помощью своё послание. Всё, что может сделать злоумышленник, перехвативший открытый ключ, — это зашифровать им своё письмо и направить его кому-нибудь. Но расшифровать переписку он не сумеет. Вы же, зная закрытый ключ (он изначально хранится у вас), легко прочтёте адресованное вам сообщение. Для зашифровки ответных посланий вы будете пользоваться открытым ключом, присланным вашим корреспондентом (а соответствующий закрытый ключ он оставляет себе).

Как раз такая криптографическая схема и применяется в алгоритме RSA — самом распространённом методе шифрования с открытым ключом. Причём для создания пары открытого и закрытого ключей используется следующая важная гипотеза. Если имеются два больших (требующих более сотни десятичных цифр для своей записи) простых числа M и K, то найти их произведение N = MK не составит большого труда (для этого даже не обязательно иметь компьютер: достаточно аккуратный и терпеливый человек сможет перемножить такие числа с помощью ручки и бумаги). А вот решить обратную задачу, то есть, зная большое число N, разложить его на простые множители M и K (так называемая задача факторизации) — практически невозможно! Именно с этой проблемой столкнётся злоумышленник, решивший «взломать» алгоритм RSA и прочитать зашифрованную с его помощью информацию: чтобы узнать закрытый ключ, зная открытый, придётся вычислить M или K.

Для проверки справедливости гипотезы о практической сложности разложения на множители больших чисел проводились и до сих пор ещё проводятся специальные конкурсы. Рекордом считается разложение всего лишь 155-значного (512-битного) числа. Вычисления велись параллельно на многих компьютерах в течение семи месяцев 1999 года. Если бы эта задача выполнялась на одном современном персональном компьютере, потребовалось бы примерно 35 лет машинного времени! Расчёты показывают, что с использованием даже тысячи современных рабочих станций и лучшего из известных на сегодня вычислительных алгоритмов одно 250-значное число может быть разложено на множители примерно за 800 тысяч лет, а 1000-значное — за 1025 (!) лет. (Для сравнения возраст Вселенной равен ~1010 лет.)

Поэтому криптографические алгоритмы, подобные RSA, оперирующие достаточно длинными ключами, считались абсолютно надёжными и использовались во многих приложениях. И всё было хорошо до тех самых пор ...пока не появились квантовые компьютеры.

Оказывается, используя законы квантовой механики, можно построить такие компьютеры, для которых задача факторизации (и многие другие!) не составит большого труда. Согласно оценкам, квантовый компьютер с памятью объёмом всего лишь около 10 тысяч квантовых битов способен разложить 1000-значное число на простые множители в течение всего нескольких часов!

Как всё начиналось?

Только к середине 1990-х годов теория квантовых компьютеров и квантовых вычислений утвердилась в качестве новой области науки. Как это часто бывает с великими идеями, сложно выделить первооткрывателя. По-видимому, первым обратил внимание на возможность разработки квантовой логики венгерский математик И. фон Нейман. Однако в то время ещё не были созданы не то что квантовые, но и обычные, классические, компьютеры. А с появлением последних основные усилия учёных оказались направлены в первую очередь на поиск и разработку для них новых элементов (транзисторов, а затем и интегральных схем), а не на создание принципиально других вычислительных устройств.

Американский математик и физик венгерского происхождения Иоганн фон Нейман (1903—1957), автор трудов по функциональному анализу, квантовой механике, логике, метеорологии. Внёс большой вклад в создание первых ЭВМ и разработку методов их применения. Его теория игр сыграла важную роль в экономике.

В 1960-е годы американский физик Р. Ландауэр, работавший в корпорации IBM, пытался обратить внимание научного мира на то, что вычисления — это всегда некоторый физический процесс, а значит, невозможно понять пределы наших вычислительных возможностей, не уточнив, какой физической реализации они соответствуют. К сожалению, в то время среди учёных господствовал взгляд на вычисление как на некую абстрактную логическую процедуру, изучать которую следует математикам, а не физикам.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Цикламены зажигают огни Цикламены зажигают огни

Среди зимнецветущих комнатных растений цикламен занимает одно из первых мест

Наука и жизнь
Родственников не выбирают: как отношения с братьями и сестрами влияют на человека Родственников не выбирают: как отношения с братьями и сестрами влияют на человека

Как наличие сиблингов и внутрисемейные роли связаны с нашим самоощущением

Forbes
Защита двойного назначения Защита двойного назначения

Щит для стабилизации космических аппаратов

Санкт-Петербургский университет
Все мы театр Все мы театр

Что происходит с театром сегодня? Рассказывают актеры

Men Today
Сапог — оружие богатыря Сапог — оружие богатыря

Cвязаны ли в действительности Илия Печерский и легендарный герой Илья Муромец?

Дилетант
Любовная переписка: зачем нам это — преимущества и недостатки Любовная переписка: зачем нам это — преимущества и недостатки

Выиграли ли мы от технологической революции в столь тонкой сфере, как любовь?

Psychologies
Видимо-невидимо: как женщины на работе прячут эмоции, усталость и собственное мнение Видимо-невидимо: как женщины на работе прячут эмоции, усталость и собственное мнение

Как устроен невидимый эмоциональный труд женщин

Forbes
Обнаженная натура в советской скульптуре: было всё Обнаженная натура в советской скульптуре: было всё

В СССР скульпторы в скульптуру привносили такое, что глаза не верят

Maxim
Новозеландцы описали древнейшего малого пингвина Новозеландцы описали древнейшего малого пингвина

Древнейший малый пингвин жил более трех миллионов лет назад

N+1
Откуда произошло слово Откуда произошло слово

Погружение в этимологию порой бывает очень увлекательным путешествием

ТехИнсайдер
Вода: сколько пить в литрах? Вода: сколько пить в литрах?

Правильный питьевой режим — что это за зверь?

Здоровье
Жены известных людей, о которых никто ничего не знает Жены известных людей, о которых никто ничего не знает

Многие знаменитости женаты на обычных людях, не имеющих отношения к шоу-бизнесу

Maxim
Залив терпения: как нескольких поколений одной семьи жили на Сахалине Залив терпения: как нескольких поколений одной семьи жили на Сахалине

Глава из дебютного романа Марии Нырковой «Залив терпения»

Forbes
Шум и ярость. О чем и как писал Уильям Фолкнер Шум и ярость. О чем и как писал Уильям Фолкнер

Чем интересен роман Фолкнера «Шум и ярость»

СНОБ
Брачные игры XXI века: что изменилось — мнение психолога Брачные игры XXI века: что изменилось — мнение психолога

Как изменились ухаживания в XXI веке?

Psychologies
Инфляция растет: как защитить свои деньги Инфляция растет: как защитить свои деньги

Как инвесторам защитить свои сбережения, когда инфляция разгоняется?

Forbes
«Изобретение прав человека: история» «Изобретение прав человека: история»

Как в обществе менялось восприятие пыток

N+1
Небесный дворец Небесный дворец

Чем занимаются китайские космонавты на своей орбитальной станции?

ТехИнсайдер
Дронго обошли кукушек в гонке вооружений благодаря разноцветным яйцам Дронго обошли кукушек в гонке вооружений благодаря разноцветным яйцам

Дронго выбрасывают >90% яиц, которые им подбрасывают кукушки

N+1
10 странных книг, написанных в необычной форме 10 странных книг, написанных в необычной форме

Иногда писатели сознательно ломают форму произведений, чтобы было интереснее

Maxim
Как сохранить зрение при работе за компьютером: 6 правил, которые необходимо знать каждому Как сохранить зрение при работе за компьютером: 6 правил, которые необходимо знать каждому

Как не испортить зрение при работе за монитором?

ТехИнсайдер
Hyundai Santa Fe 2024 выйдет с тремя рядами сидений и совершенно новым лицом Hyundai Santa Fe 2024 выйдет с тремя рядами сидений и совершенно новым лицом

Как будет выглядеть знакомый нам плюшевый Santa Fe?

4x4 Club
«Измены мужа — ответственность жены»? 6 причин мужской неверности «Измены мужа — ответственность жены»? 6 причин мужской неверности

Как быть? Давайте для начала разберемся, почему мужчины изменяют

Psychologies
Смеются ли андроиды над электроовцами? ИИ учится понимать юмор Смеются ли андроиды над электроовцами? ИИ учится понимать юмор

Группа ученых провела тестирование Больших языковых моделей на «чувство юмора»

ТехИнсайдер
Лемонграсс, зира, фенугрек: как использовать необычные специи и что с ними готовить Лемонграсс, зира, фенугрек: как использовать необычные специи и что с ними готовить

Что можно приготовить с имбирем, лемонграссом и зирой?

VOICE
Действительно сильные женщины: как японки борются за право заниматься сумо Действительно сильные женщины: как японки борются за право заниматься сумо

Японки практиковали сумо в древности, и сегодня отстаивают свое право на него

Forbes
Как он это делает: 17 лучших ролей Киллиана Мёрфи (в порядке возрастания восторга) Как он это делает: 17 лучших ролей Киллиана Мёрфи (в порядке возрастания восторга)

Собрали 17 лучших проектов с Киллианом Мёрфи, в которых раскрывается его талант

Правила жизни
Аборигенно модифицированное искусство Аборигенно модифицированное искусство

Дамир Муратов: идентичность и айдентика Сибири

Weekend
«Я бы не решилась на такой проект в Москве»: предприниматели — о работе в регионах «Я бы не решилась на такой проект в Москве»: предприниматели — о работе в регионах

К чему готовиться бизнесу за пределами Москвы?

Forbes
Небесное создание Небесное создание

Техники борьбы с аэрофобией — на высоте

VOICE
Открыть в приложении