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

Наука в фантастике: эпизоды истории Наука в фантастике: эпизоды истории

Сказочная повесть — фантастика с просветительской задачей

Наука и жизнь
Ученые прочитали белки парантропа — древнего родственника человека, которому 2 миллиона лет Ученые прочитали белки парантропа — древнего родственника человека, которому 2 миллиона лет

Древние белки раскрывают историю человечества

ТехИнсайдер
Век живи: долгожительство станет нормой Век живи: долгожительство станет нормой

Долголетие: фантазии или ближайшее будущее?

Монокль
Трогательная история. Она потеряла слух после 60 лет, но нашла силы жить Трогательная история. Она потеряла слух после 60 лет, но нашла силы жить

Язык жестов и глухонемые коллеги показали женщине новый путь в жизни

ТехИнсайдер
Никита Кологривый: «Не шагнешь с высоты бесстрашно — не сыграешь роль» Никита Кологривый: «Не шагнешь с высоты бесстрашно — не сыграешь роль»

Никита Кологривый: Непрост? Да. С характером? Да. Талантлив? Безусловно

Караван историй
Палеогенетики выявили семь поколений родственников эпохи неолита Палеогенетики выявили семь поколений родственников эпохи неолита

Палеогенетики отсеквенировали ДНК 99 человек, живших в эпоху неолита

N+1
«Папа пробрался в шоу-бизнес лучше мамы»: дочь Глюкозы рассказала, кто помогает ей в карьере «Папа пробрался в шоу-бизнес лучше мамы»: дочь Глюкозы рассказала, кто помогает ей в карьере

16-летняя дочь Глюк’оZы пошла по ее стопам

VOICE
ИИ «дурачит» ученых, придумывая данные. Но такие данные могут упростить обучение самого ИИ ИИ «дурачит» ученых, придумывая данные. Но такие данные могут упростить обучение самого ИИ

ИИ расширяет реальность. В буквальном смысле

ТехИнсайдер
Люди с протезами почувствовали температуру с помощью тонкопленочного охладителя Люди с протезами почувствовали температуру с помощью тонкопленочного охладителя

Охладитель, с помощью которого люди с протезами могут чувствовать температуру

N+1
История одной вещи: как растворимый кофе стал главным изобретением мировых войн и решил экономический кризис История одной вещи: как растворимый кофе стал главным изобретением мировых войн и решил экономический кризис

Рассказываем, как появился растворимый кофе и при чем здесь Джордж Вашингтон

Правила жизни
Архаров, архаровцы и цена на сено Архаров, архаровцы и цена на сено

Николай Архаров — один из главных строителей полицейского ведомства России

Дилетант
Роботы и люди: как производят материнские платы на заводе в Шуе Роботы и люди: как производят материнские платы на заводе в Шуе

Как устроен завод по изготовлению материнских плат

СНОБ
За 30 лет число детей с диабетом выросло на 40 процентов За 30 лет число детей с диабетом выросло на 40 процентов

Уровень заболеваемости диабетом увеличился с 9,31 до 11,61 на 100000 населения

N+1
Бережный уход Бережный уход

Как уволиться по закону, с радостью и выгодой

VOICE
К китам и оленям: как в России растет спрос на приключенческий туризм К китам и оленям: как в России растет спрос на приключенческий туризм

Приключенческий туризм, который раньше был незаметен, выходит в массовый сегмент

Forbes
Одиночество вдвоем: почему отношения становятся несчастливыми Одиночество вдвоем: почему отношения становятся несчастливыми

Почему люди ощущают себя одинокими в паре?

Psychologies
Эволюционное несоответствие Эволюционное несоответствие

Мы создавались для жизни в дикой природе с определёнными условиями

Robb Report
Как быстро и легко собирать большие пазлы: 6 стратегий Как быстро и легко собирать большие пазлы: 6 стратегий

Собрать пазл из 2000 деталей? Легко!

ТехИнсайдер
Вы чересчур самокритичны? Задайте себе эти 7 вопросов Вы чересчур самокритичны? Задайте себе эти 7 вопросов

Семь вопросов, чтобы понять, почему вы так строги к самому себе

Psychologies
Карма и судьба: навсегда ли это или можно все изменить? Карма и судьба: навсегда ли это или можно все изменить?

Как душа получает свой опыт, и какую роль в этом играют звезды?

VOICE
Вы не знали этого о латышском и литовском! Они помогают изучать доисторические языки Вы не знали этого о латышском и литовском! Они помогают изучать доисторические языки

Как латышский и литовский языки помогают исследовать коммуникацию древних людей

ТехИнсайдер
«Ситуация ухудшается для таких, как я»: интервью публициста Александра Архангельского «Ситуация ухудшается для таких, как я»: интервью публициста Александра Архангельского

Александр Архангельский рассказал, можно ли продолжать преподавать в России

Forbes
Как преодолеть стереотипы общества и позволить себе быть просто женщиной Как преодолеть стереотипы общества и позволить себе быть просто женщиной

Как стереотипы заставляют женщину быть кем-то другим?

Psychologies
Бойня RAF Бойня RAF

В 1970-х RAF была одной из самых влиятельных террористических организаций

Дилетант
Какие экстремальные нагрузки может выдержать организм человека Какие экстремальные нагрузки может выдержать организм человека

Как долго можно выдержать без пищи, без воды или на морозе?

Maxim
Как диснеевские принцессы влияют на психику детей: 4 мультфильма глазами психологов Как диснеевские принцессы влияют на психику детей: 4 мультфильма глазами психологов

От чего зависит то, какое влияние окажет на ребенка мультфильм?

Psychologies
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
«История пиратства: от викингов до наших дней» «История пиратства: от викингов до наших дней»

Почему морские разбойники до сих пор существуют

N+1
Опознанный бескапотник Опознанный бескапотник

Преимущества «ГАЗ Валдай 8» для соседей по транспортному потоку

Автопилот
Заклинатели роботов: какие профессии создал ИИ и кто на этом зарабатывает Заклинатели роботов: какие профессии создал ИИ и кто на этом зарабатывает

Что за люди «работают на роботов» и какие навыки от них требуются?

Forbes
Открыть в приложении