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

Клин с клином Клин с клином

Клинопись – древнейшая известная человечеству система письма

Вокруг света
Самый сок: как юрист и рекламщик выжали из сосны новый ингредиент для косметики Самый сок: как юрист и рекламщик выжали из сосны новый ингредиент для косметики

Как вытяжка из сосны пробивала себе путь на рынок, занятый иностранным сырьем

Forbes
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
Как нельзя снимать наращенные ресницы самой: 9 железных табу Как нельзя снимать наращенные ресницы самой: 9 железных табу

Последствия самостоятельного избавления от наращенных ресниц

VOICE
Дальше ехать некуда Дальше ехать некуда

На противоположной стороне планеты живут 45 человек и птица уэка

Вокруг света
Рабочей копии гена оказалось недостаточно для устранения врожденной цветовой слепоты Рабочей копии гена оказалось недостаточно для устранения врожденной цветовой слепоты

Рабочая копия гена CNGA3 не восстанавливает цветовое зрение

N+1
Константин Вишневский: « Даже иллюзия самостоятельности робота вызывает страх и недоверие» Константин Вишневский: « Даже иллюзия самостоятельности робота вызывает страх и недоверие»

Насколько реальна перспектива вытеснения людей «цифровыми сотрудниками»?

РБК
Славный город Кострома Славный город Кострома

Сбежим из шумного мегаполиса в маленькую уютную Кострому

Лиза
Девочки из хороших семей Девочки из хороших семей

Комиссарши — сотрудницы советских органов безопасности, лишенные жалости

Дилетант
Правила жизни Джорджо Армани Правила жизни Джорджо Армани

Правила жизни итальянского модельера Джорджо Армани

Правила жизни
Современные «Одиссеи»: пять лучших фильмов в жанре роуд-муви Современные «Одиссеи»: пять лучших фильмов в жанре роуд-муви

Фильмы о кочевниках нового времени, неожиданных попутчиках и отчаянных искателях

Forbes
Я — сноб: актриса Наташа Бардо Я — сноб: актриса Наташа Бардо

Актриса Наташа Бардо — о том, что удивляет ее в людях больше всего

СНОБ
Как улучшить успеваемость учащихся? Эксперты пришли к простому решению Как улучшить успеваемость учащихся? Эксперты пришли к простому решению

Сильное самосознание и целеустремленность могут повысить итоговые баллы учащихся

ТехИнсайдер
Сезонное предложение Сезонное предложение

Разбираемся, какие сезонные продукты нам помогут отлично выглядеть

Лиза
Высокая и устойчивая: почему инфляция в ЕС не сдает позиции Высокая и устойчивая: почему инфляция в ЕС не сдает позиции

Европейский центральный банк повышает процентные ставки

Forbes
Не дай себе засохнуть Не дай себе засохнуть

4 неожиданных способа, избежать обезвоженности в жару

Лиза
Ноги на экспорт: самые дорогие продажи в истории российского футбола Ноги на экспорт: самые дорогие продажи в истории российского футбола

Рейтинг самых дорогостоящих трансферов «на выход» из РПЛ

Forbes
Я — сноб: музыкант Гарик Сукачев Я — сноб: музыкант Гарик Сукачев

Гарик Сукачев о работе над театральной постановкой и творчестве на даче

СНОБ
Эффект дорогой женщины: как одеваться, будто ты миллионерша, и не тратить много Эффект дорогой женщины: как одеваться, будто ты миллионерша, и не тратить много

Стилист собрала 8 правил для эффекта "дорогой" женщины

VOICE
Свет в конце туннеля: что такое околосмертный опыт — мистика или наука Свет в конце туннеля: что такое околосмертный опыт — мистика или наука

Почему наука все активнее пытается проникнуть на территорию мистики?

Psychologies
Жизнь продолжается Жизнь продолжается

Ладно скроенная Lada

Автопилот
Комедия случая: Эльдар Рязанов — режиссер, который не стал моряком Комедия случая: Эльдар Рязанов — режиссер, который не стал моряком

О гении советской комедии Эльдаре Рязанове

СНОБ
Ловушка для бизнеса: почему надо помнить об информационной безопасности Ловушка для бизнеса: почему надо помнить об информационной безопасности

Цифровизация несет риски, которые необходимо учитывать при ведении бизнеса

Forbes
Выдра в США терроризирует серферов и ворует их доски. Ее могут усыпить! Выдра в США терроризирует серферов и ворует их доски. Ее могут усыпить!

Морская выдра в США крадет доски у серферов

ТехИнсайдер
На ярком солнце: как участники списка Forbes зарабатывают на летнем отдыхе На ярком солнце: как участники списка Forbes зарабатывают на летнем отдыхе

На чем зарабатывают обладатели состояния с девятью нулями в жаркие месяцы?

Forbes
«Яркий, сильный, смелый»: чем запомнился основатель «ИКС Холдинга» Антон Черепенников «Яркий, сильный, смелый»: чем запомнился основатель «ИКС Холдинга» Антон Черепенников

Что за бизнес Черепенников успел построить и чем он запомнился отрасли?

Forbes
Средство от хаоса Средство от хаоса

Пора переосмыслить цели и само понятие технического прогресса

Деньги
Ученые использовали грибной мицелий как основу строительных конструкций Ученые использовали грибной мицелий как основу строительных конструкций

Новый тин материала для экологичного строительства

ТехИнсайдер
Найдены гены, связанные с посттравматическим стрессом и депрессией Найдены гены, связанные с посттравматическим стрессом и депрессией

Гены больного мозга работают совершенно не так, как у здорового

ТехИнсайдер
Семья плюс: стоит ли доверять близких гибридному кроссоверу Chery Tiggo 8 Pro e+ Семья плюс: стоит ли доверять близких гибридному кроссоверу Chery Tiggo 8 Pro e+

Про гибриды много говорят и хорошего, и плохого

ТехИнсайдер
Открыть в приложении