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

От чего умер Ленин? От чего умер Ленин?

На момент смерти Ленину было всего 53 года. На здоровье он никогда не жаловался

Дилетант
О чем фильм «Барби»: 5 теорий — версии фанатов О чем фильм «Барби»: 5 теорий — версии фанатов

В чем смысл фильма «Барби»?

Psychologies
Вопрос / ответ Вопрос / ответ

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

Вокруг света
Сразу не заметишь Сразу не заметишь

5 неочевидных симптомов, которые указывают на хронический стресс

Лиза
Дальше ехать некуда Дальше ехать некуда

На противоположной стороне планеты живут 45 человек и птица уэка

Вокруг света
«Не гневите Бога»: почему мужчинам нельзя делать вазэктомию — мнение россиян «Не гневите Бога»: почему мужчинам нельзя делать вазэктомию — мнение россиян

Почему многие люди выступают против хирургической контрацепции

Psychologies
Что произошло с Сибирью? Что произошло с Сибирью?

Почему осмыслить место Сибири в истории России непросто?

Дилетант
Под ториевой аномалией на обратной стороны Луны заподозрили крупный гранитный массив Под ториевой аномалией на обратной стороны Луны заподозрили крупный гранитный массив

В районе ториевой аномалии на Луне располагается крупный гранитный массив

N+1
Тяжелый легкий бег Тяжелый легкий бег

Как работает организм на марафонских дистанциях

Популярная механика
Люди услышали тишину Люди услышали тишину

Как именно люди воспринимают тишину?

N+1
Сложно ли зарегистрировать бизнес в Дубае? И еще несколько задач, которые решала команда Wind Rises Сложно ли зарегистрировать бизнес в Дубае? И еще несколько задач, которые решала команда Wind Rises

Команда Wind Rises — о «легкой» регистрации и неработающих скидках

Правила жизни
Морозная свежесть антоновки: подробный гид по российскому сидру Морозная свежесть антоновки: подробный гид по российскому сидру

Из каких яблок делают сидры в России, зачем их пить из винных бокалов?

СНОБ
«Судьбы икон в Стране Советов» «Судьбы икон в Стране Советов»

Как православное искусство помогло индустриализации

N+1
Собираем аптечку в отпуск: что из лекарств взять с собой в поездку Собираем аптечку в отпуск: что из лекарств взять с собой в поездку

О том, что должно быть в отпускной аптечке, а без чего можно обойтись

РБК
Ученые определили пол человека по запаху рук Ученые определили пол человека по запаху рук

Как связаны пол человека и его руки?

N+1
Диана/Дарья Диана/Дарья

Самая ожидаемая премьера Сontext 2023 — спектакль «Дуо»

Собака.ru
Едем в Марий Эл Едем в Марий Эл

Ради чего стоит отправиться в Марий Эл?

Лиза
Непохожие вербейники Непохожие вербейники

Посмотришь на вербейники, не можешь поверить их родству — насколько они различны

Наука и жизнь
«Если любишь, докажи!»: как перестать требовать этого от партнера — 3 сценария «Если любишь, докажи!»: как перестать требовать этого от партнера — 3 сценария

Почему нам постоянно нужны доказательства любви?

Psychologies
Экспрессию генов включили током от батарейки Экспрессию генов включили током от батарейки

Для создания электрогенетического интерфейса использовали человеческие белки

N+1
Цирк не для детей и кинетическое искусство: что нужно знать о художнике Александре Колдере Цирк не для детей и кинетическое искусство: что нужно знать о художнике Александре Колдере

О крошечном цирке и проволочных портретах Александра Колдера

Правила жизни
Куда двигаться Куда двигаться

Какие именно танцы подойдут тебе?

VOICE
Вперед в прошлое: каким получился «Флэш» с Эзрой Миллером Вперед в прошлое: каким получился «Флэш» с Эзрой Миллером

«Флэш» — почему он так сакрально важен для Warner Bros?

Правила жизни
Инопланетяне в подводных лесах и семейная жизнь зубаток Инопланетяне в подводных лесах и семейная жизнь зубаток

Знакомимся с причудливыми обитателями пролива Сальтстраумен

N+1
Мнение экспертов: веганы улучшают экологию Земли. Поменяете диету? Мнение экспертов: веганы улучшают экологию Земли. Поменяете диету?

Веганская диета позитивно сказывается на экологическом состоянии нашей планеты

ТехИнсайдер
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
Непотопляемая Вайолет: история единственной женщины, пережившей гибель «Титаника» и его двух братьев-близнецов Непотопляемая Вайолет: история единственной женщины, пережившей гибель «Титаника» и его двух братьев-близнецов

История Вайолет Джессоп больше похожа на сюжет фантастического блокбастера

ТехИнсайдер
Чистка лица: что нужно знать перед тем, как записаться к косметологу Чистка лица: что нужно знать перед тем, как записаться к косметологу

Рассказываем об особенностях чистки лица

Psychologies
Сергей Кемпо: «Я — счастливчик!» Сергей Кемпо: «Я — счастливчик!»

«Родители для меня желали какой угодно профессии, но только не актерской»

Караван историй
Ландшафты утренней звезды Ландшафты утренней звезды

Как же на самом деле выглядит Венера?

Наука и жизнь
Открыть в приложении