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
Чем интересен фильм Майка Ли «Обнаженные» Чем интересен фильм Майка Ли «Обнаженные»

Чем интересна экзистенциальная притча о взрослении и одиночестве

СНОБ
На пороге квантового превосходства На пороге квантового превосходства

Квантовые компьютеры: чем они отличаются об обычных и какие задачи выполняют?

Наука и жизнь
«Идеи живут вечно». Что общего у «Барби» и «Оппенгеймера» «Идеи живут вечно». Что общего у «Барби» и «Оппенгеймера»

Почему все сравнивают «Барби» и «Оппенгеймера»?

СНОБ
Вопрос / ответ Вопрос / ответ

Что ели русские крестьяне, кто изобрел алфавит и другие вопросы и ответы

Вокруг света
«Мы — выживальщики»: как представители разных семейных мифов реагируют на кризис — мнение психолога «Мы — выживальщики»: как представители разных семейных мифов реагируют на кризис — мнение психолога

Что такое индивидуальная самоидентификация семьи?

Psychologies
Женская линия Женская линия

Приглашенных главреда у нас сегодня два. Вернее, две: Юлия и Анна Пересильд

Psychologies
Зарегистрированы самые мощные гравитационные волны в истории наблюдений Зарегистрированы самые мощные гравитационные волны в истории наблюдений

Гравитационные волны возвращаются, и они огромны

ТехИнсайдер
Политическое крещение Политическое крещение

Что побудило закоренелого язычника и развратника перейти в христианскую веру?

Дилетант
Выбираем стиральную машину: на что смотреть, чтобы не потратить деньги зря Выбираем стиральную машину: на что смотреть, чтобы не потратить деньги зря

Не так просто выбрать лучшую стиральную машину по соотношению цены и качества

CHIP
Расследование 18-летнего журналиста привело к отставке президента Стэнфорда Расследование 18-летнего журналиста привело к отставке президента Стэнфорда

Возможно, самый молодой лауреат премии Джорджа Полка в истории журналистики

ТехИнсайдер
Головная боль всех кошатников: как отучить питомца царапать мебель Головная боль всех кошатников: как отучить питомца царапать мебель

Почему кота больше привлекает не когтеточка, а ваш диван?

ТехИнсайдер
Посторонним вход строго запрещен: 5 мест на земле, которые недоступны для посетителей Посторонним вход строго запрещен: 5 мест на земле, которые недоступны для посетителей

Почему эти загадочные места старательно ограждают от посетителей?

ТехИнсайдер
Орден бегинок: как в Средневековой Европе появились независимые женские объединения Орден бегинок: как в Средневековой Европе появились независимые женские объединения

Что делать, если родилась в Европе Средних веков, но к замужеству душа не лежит?

Forbes
7 алкогольных сочетаний, которые гарантируют похмелье 7 алкогольных сочетаний, которые гарантируют похмелье

То, что категорически нельзя между собой смешивать

Psychologies
С первыми лучами солнца: что может произойти с завтраком в отеле С первыми лучами солнца: что может произойти с завтраком в отеле

История таинственного исчезновения завтрака в отеле

Правила жизни
Новая жизнь старых территорий. Кто и как превращает заброшенные фабрики и заводы в развивающиеся общественные пространства Новая жизнь старых территорий. Кто и как превращает заброшенные фабрики и заводы в развивающиеся общественные пространства

Некоторым из бывших заводов и фабрик посчастливилось получить вторую жизнь

СНОБ
Эротика в советской литературе Эротика в советской литературе

Хотите верьте, хотите нет, но в советской художественной литературе был секс

Maxim
Влияют на гормоны и красоту: почему опасно носить солнцезащитные очки слишком долго Влияют на гормоны и красоту: почему опасно носить солнцезащитные очки слишком долго

Оказывается, солнцезащитные очки опасно носить подолгу

VOICE
«Малочисленные народы прекрасно интегрированы в современном обществе» «Малочисленные народы прекрасно интегрированы в современном обществе»

Об участии в современной экономике женщин коренных малочисленных народов

РБК
Слишком горячий Слишком горячий

Что делать, если твой мужчина — настоящий Отелло

Лиза
Денис Прытков Денис Прытков

Главный кинодебютант года влюбил всю страну в обаятельного интерна-реаниматолога

Собака.ru
Покидая Галактику: откуда летят самые быстрые звезды Млечного Пути Покидая Галактику: откуда летят самые быстрые звезды Млечного Пути

Астрономы обнаружили жертвы грандиозных космических взрывов

Forbes
Александр Траугот Александр Траугот

За авторской росписью Александра Траугота охотятся фанаты и коллекционеры

Собака.ru
Как установить моды на Симс 4? Подробная инструкция Как установить моды на Симс 4? Подробная инструкция

Как установить моды на Симс 4, чтобы играть было еще интереснее

CHIP
Сдачи не надо Сдачи не надо

Когда россияне готовы оставлять чаевые

Деньги
Сколько нужно времени, чтобы он в тебя влюбился: вот что говорят мужчины Сколько нужно времени, чтобы он в тебя влюбился: вот что говорят мужчины

Существует ли любовь с первого взгляда и сколько минут нужно, чтобы влюбиться?

VOICE
Ксения Михeева Ксения Михeева

Танцовщица Ксения Михеева в контемпорари пришла из классического балета

Собака.ru
Были ли в России придворные шуты? Были ли в России придворные шуты?

На Руси шутов звали «дураками». Многие из них происходили из бояр или дворян

Культура.РФ
Скульптор и делец. Как Лука делла Роббиа поставил производство майолики на поток Скульптор и делец. Как Лука делла Роббиа поставил производство майолики на поток

Александр Степанов рассказывает о творчестве художников Ренессанса

СНОБ
Открыть в приложении