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

Сбитый «Боинг» Сбитый «Боинг»

Ранним утром 1 сентября 1983 года истребитель СУ-15 был поднят по тревоге

Дилетант
Почему пассажирам нельзя меняться местами в самолетах? Попробуйте догадаться о причинах Почему пассажирам нельзя меняться местами в самолетах? Попробуйте догадаться о причинах

Почему вы не можете занять другое место в самолете, если оно свободно?

ТехИнсайдер
Масса за горизонтом событий Масса за горизонтом событий

О том, как удалось обнаружить и «взвесить» одну из сверхмассивных чёрных дыр

Наука и жизнь
Почему пот оставляет желтые пятна на одежде, если он бесцветный? Почему пот оставляет желтые пятна на одежде, если он бесцветный?

Если пот — бесцветная влага, откуда такой краситель?

ТехИнсайдер
20 вещей, которые могут тебе пригодиться в постели 20 вещей, которые могут тебе пригодиться в постели

Объекты и явления, при помощи которых твой секс будет еще великолепнее

Maxim
Лучшие платформеры на ПК: топ-10 проектов в 2023 году Лучшие платформеры на ПК: топ-10 проектов в 2023 году

10 лучших игр-платформеров в 2023 году на ПК

CHIP
Откуда взошла Луна Откуда взошла Луна

Астрономы давно ломают голову над происхождением Луны

Вокруг света
Мозг «кладет поближе» те воспоминания, которые считает важными для обобщений Мозг «кладет поближе» те воспоминания, которые считает важными для обобщений

Воспоминания перемещаются из гиппокампа в кору головного мозга

ТехИнсайдер
Странный водяной орех, или в дорогу за генами Странный водяной орех, или в дорогу за генами

Являются ли водораздельная и пойменная формы чилима отдельными видами?

Наука и жизнь
Инженеры научили робота «плавать» в толще песка Инженеры научили робота «плавать» в толще песка

Инженеры разработали робота, способного автономно передвигаться в толще песка

N+1
Растения привлекли млекопитающих плодами с повышенной концентрацией спирта Растения привлекли млекопитающих плодами с повышенной концентрацией спирта

Зачем растения концентрируют спирт в своих плодах?

N+1
Когда ты — не стандарт: 5 простых способов почувствовать себя самой красивой Когда ты — не стандарт: 5 простых способов почувствовать себя самой красивой

Лови формулу, которая поможет тебе раскрыть свою красоту и повысить самооценку!

VOICE
Обратный эффект Обратный эффект

11 продуктов для тех, кто мечтает набрать вес, а не сбросить

Лиза
18-летняя мама пыталась нанять киллера в интернете, чтобы убить своего 3-летнего сына 18-летняя мама пыталась нанять киллера в интернете, чтобы убить своего 3-летнего сына

Журналисты сообщили, что молодая мама из США решила избавиться от своего ребенка

ТехИнсайдер
Кровь стынет в жилах: 5 мистических триллеров, которые точно смогут заинтриговать и даже напугать вас Кровь стынет в жилах: 5 мистических триллеров, которые точно смогут заинтриговать и даже напугать вас

5 страшных романов — не исключено, что ночью вам захочется спать со светом

ТехИнсайдер
Маленький экран, большие амбиции Маленький экран, большие амбиции

История отношений независимых кинорежиссеров и сериальной индустрии

Weekend
Носики-курносики Носики-курносики

Порой иконографическое сравнение помогает «узнать» персонажа на картине

Дилетант
Рассмеши меня, если сможешь: фильмы, где играют комики Рассмеши меня, если сможешь: фильмы, где играют комики

Комедии, байопик, оскароносная драма: фильмы, в которых играли комики

Правила жизни
Экспедиция на остров Земля Александры: как и зачем ученые исследуют землетрясения в Арктике Экспедиция на остров Земля Александры: как и зачем ученые исследуют землетрясения в Арктике

Как прошла научная экспедиция на остров Земля Александры

ТехИнсайдер
Детское время Детское время

Когда игрушки были металлическими и деревянными

Автопилот
Ален Эриль: «Я помогаю умереть прежней паре, чтобы родилась новая» — интервью сексолога Ален Эриль: «Я помогаю умереть прежней паре, чтобы родилась новая» — интервью сексолога

Сексолог Ален Эриль — о парах, любви и отношениях

Psychologies
Музыкальный ритм помог детям сделать меньше грамматических ошибок Музыкальный ритм помог детям сделать меньше грамматических ошибок

Музыкальные ритмы помогли франкоговорящим детям повторить услышанные фразы

N+1
Связанные одной лодкой Связанные одной лодкой

16 фактов про «Yellow Submarine»

Weekend
«У снобов имеется некий душевный надрыв». Отрывок из книги о Марселе Прусте и его главном романе «У снобов имеется некий душевный надрыв». Отрывок из книги о Марселе Прусте и его главном романе

Как Марсель Пруст критиковал светское общество

СНОБ
Большой Дракон: как Брюс Ли изменил голливудский экшен-фильм Большой Дракон: как Брюс Ли изменил голливудский экшен-фильм

Как Брюс Ли взбодрил и обновил голливудский менстрим

Правила жизни
Увлеченным мечтой о свободе Увлеченным мечтой о свободе

Что делать с тремя моделями у моря

Автопилот
80 процентов детских смертей в Африке и Южной Азии оказались предотвратимы 80 процентов детских смертей в Африке и Южной Азии оказались предотвратимы

82,3% смертей детей в Африке и Южной Азии эксперты признали предотвратимыми

N+1
Выше ниши: как меняются приоритеты компаний на пути к цифровой трансформации Выше ниши: как меняются приоритеты компаний на пути к цифровой трансформации

Цифровая трансформация остается важным элементом развития российских компаний

Forbes
Направления для управления: где власти хотят использовать искусственный интеллект Направления для управления: где власти хотят использовать искусственный интеллект

Минцифры предложило перечень направлений для развития технологий ИИ

Forbes
«Посмотри, в каких я сапогах»: как панк-атрибутика вышла за пределы субкультуры «Посмотри, в каких я сапогах»: как панк-атрибутика вышла за пределы субкультуры

Во многом благодаря КиШ стиль панк перестал быть исключительно субкультурным

Правила жизни
Открыть в приложении