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

Харакири по всем правилам Харакири по всем правилам

6 марта 1929 года произошло событие, которое взбудоражило всю Москву

Дилетант
Полезная еда на скорую руку: 9 простых советов — начните правильно питаться уже сегодня Полезная еда на скорую руку: 9 простых советов — начните правильно питаться уже сегодня

Как тратить на готовку по 10-20 минут?

Psychologies
Масса за горизонтом событий Масса за горизонтом событий

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

Наука и жизнь
ChatGPT превзошел большинство людей в оригинальности мышления ChatGPT превзошел большинство людей в оригинальности мышления

ChatGPT 4.0 может сравниться с 1% наиболее творческих людей

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
«На жестовом языке видят сны»: как Елена Максимова создала проект по поддержке глухих «На жестовом языке видят сны»: как Елена Максимова создала проект по поддержке глухих

Основательница организации «Услышать тишину» — о сообществе глухих людей

Forbes
Сырная история Сырная история

Как люди научились варить сыры

Вокруг света
Родом из СССР: 27 советских привычек, от которых мы до сих пор не можем избавиться Родом из СССР: 27 советских привычек, от которых мы до сих пор не можем избавиться

Пакет с пакетами или банка из-под кофе с шурупами — своего рода культурный код

Psychologies
Просто космос Просто космос

Большинству Антарктида представляется такой же далекой и неуютной, как космос

Вокруг света
Больше энергии и меньше тревоги: откуда брать витамин В12? Больше энергии и меньше тревоги: откуда брать витамин В12?

Продукты, в которых содержится витамин B12

ТехИнсайдер
Поразительная Поразительная

Как с помощью зеркала обмануть мозг и ускорить выздоровление после инсульта?

ТехИнсайдер
Секс за работой Секс за работой

«Хельмут Ньютон: отвратительный и великолепный»: байопик великого фотографа

Weekend
Соцсети, которые взорвали Интернет и так же быстро сдулись Соцсети, которые взорвали Интернет и так же быстро сдулись

Рассказываем, куда и почему пропали MySpace, Google+, Periscope и Clubhouse

Maxim
Нестареющая классика научной фантастики: 5 причин прочесть «Академию» Айзека Азимова Нестареющая классика научной фантастики: 5 причин прочесть «Академию» Айзека Азимова

Почему вам стоит взяться за цикл «Академия» Айзека Азимова

ТехИнсайдер
Связанные одной нитью: как женщина за ткацким станком помогла построить цивилизацию Связанные одной нитью: как женщина за ткацким станком помогла построить цивилизацию

Отрывок из книги «Нить истории» о том, как прялка и веретено повлияли на людей

Forbes
Помоги себе сам: какими бывают практики самотерапии Помоги себе сам: какими бывают практики самотерапии

Как правильно себя поддерживать и почему самопомощь не заменит психолога

Forbes
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
Математики показали, что аналог GPS может работать на Луне. Ученым помогли идеи, которым уже 800 лет Математики показали, что аналог GPS может работать на Луне. Ученым помогли идеи, которым уже 800 лет

Спутниковой навигации, используемые на Земле, можно перенести на Луну

ТехИнсайдер
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
«Граффити викингов»! Археологи нашли самый древний рисунок Исландии «Граффити викингов»! Археологи нашли самый древний рисунок Исландии

Археологи в Исландии обнаружили самый старый известный рисунок в стране

ТехИнсайдер
Грузинские вина: что можно брать Грузинские вина: что можно брать

Какие из грузинских вин стоит брать?

Maxim
Новая экспедиция «Пангеи» Новая экспедиция «Пангеи»

Майк Хорн отправился в очередную кругосветку, чтобы оценить изменение климата

Y Magazine
В будущее возьмут всех: 5 причин, почему «Футурама» — великий мультсериал В будущее возьмут всех: 5 причин, почему «Футурама» — великий мультсериал

Что на самом деле сделало комедию про футуристических обывателей бессмертной

Правила жизни
Кто такой Генри Форд и как ему удалось построить автомобильную империю Кто такой Генри Форд и как ему удалось построить автомобильную империю

Человек, который стал не только символом автомобилизации, но и изменил мир

РБК
Прагматический выбор: зачем предпринимателям становиться романтиками Прагматический выбор: зачем предпринимателям становиться романтиками

Новый "инь-янь" для ведения стартапов: прагматизм и романтизм

Forbes
Человечество производит столько курятины, что кости птиц стали символом новой геологической эпохи Человечество производит столько курятины, что кости птиц стали символом новой геологической эпохи

Почему именно куриные кости будут одними из важных находок археологов будущего?

ТехИнсайдер
Диджитализация романтики: как искусственный интеллект изменил знакомства и отношения Диджитализация романтики: как искусственный интеллект изменил знакомства и отношения

Как нейросети помогают тем, кто боится или не умеет знакомиться?

Forbes
Стоит ли смотреть триллер «Схватка с дьяволом» с Николасом Кейджем Стоит ли смотреть триллер «Схватка с дьяволом» с Николасом Кейджем

Кейдж из объекта насмешек и тупых мемов превращается в знак качества

Maxim
Василий Ливанов: «Если бы отец увидел этого русского, он был бы счастлив», — сказала дочь Конан Дойля, посмотрев моего Шерлока Холмса Василий Ливанов: «Если бы отец увидел этого русского, он был бы счастлив», — сказала дочь Конан Дойля, посмотрев моего Шерлока Холмса

Камбербэтч и я — нормальные Холмсы. Но лучший Шерлок Холмс в истории — русский

Коллекция. Караван историй
Бриллиант не навсегда Бриллиант не навсегда

Индия рассчитывает вернуть алмаз «Кох-и-Нур», который украшает корону Британии

Robb Report
Открыть в приложении