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

Камотли, он же батат Камотли, он же батат

Батат, сладкий картофель, — многолетняя травянистая лиана из семейства вьюнковых

Наука и жизнь
Физические нагрузки не улучшили когнитивный статус у пожилых с коротким сном Физические нагрузки не улучшили когнитивный статус у пожилых с коротким сном

Как связаны сон, физическая активность и когнитивный статус у пожилых людей?

N+1
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
Образование с градусом. Где учат делать авторский алкоголь Образование с градусом. Где учат делать авторский алкоголь

Где учат варить пиво, делать сидр, настойки, коктейли и работать с су-видом

СНОБ
Масса за горизонтом событий Масса за горизонтом событий

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

Наука и жизнь
Аэрогель повысил огнестойкость дрона Аэрогель повысил огнестойкость дрона

Дрон выдерживает температуру в 200 градусов Цельсия с помощью аэрогеля

N+1
Судоходная Арктика Судоходная Арктика

Беспрецедентное по масштабам строительство судов ледового класса в России

Популярная механика
Аудизм: почему мы так мало знаем о том, как на самом деле живут слабослышащие люди Аудизм: почему мы так мало знаем о том, как на самом деле живут слабослышащие люди

Как, разрушив стереотипы, прийти к понимаю между глухими и слышащими?

Forbes
Самые неожиданные способы заразиться венерическими болезнями Самые неожиданные способы заразиться венерическими болезнями

Гонореей, сифилисом, хламидиозом можно заразиться бытовым путем

Maxim
“У тебя не мои глаза, не мои волосы”: горькая судьба Ари Булоня, всю жизнь доказывавшего, что он сын Алена Делона “У тебя не мои глаза, не мои волосы”: горькая судьба Ари Булоня, всю жизнь доказывавшего, что он сын Алена Делона

Одна из тяжелых страниц биографии Алена Делона: взаимоотношения с Ари Булонем

VOICE
История с надеждой! Она потеряла волосы из-за рака, но смогла переосмыслить свою жизнь История с надеждой! Она потеряла волосы из-за рака, но смогла переосмыслить свою жизнь

Пожилая женщина из Англии смогла победить рак и снова найти себя

ТехИнсайдер
О спорт, ты мозг! Как физическая активность влияет на когнитивные функции? О спорт, ты мозг! Как физическая активность влияет на когнитивные функции?

Как тренировки улучшают память и концентрацию?

Правила жизни
Выше ниши: как меняются приоритеты компаний на пути к цифровой трансформации Выше ниши: как меняются приоритеты компаний на пути к цифровой трансформации

Цифровая трансформация остается важным элементом развития российских компаний

Forbes
Раннемеловое млекопитающее поохотилось на динозавра втрое тяжелее себя Раннемеловое млекопитающее поохотилось на динозавра втрое тяжелее себя

Необычная окаменелость, которая сохранила сцену охоты Repenomamus robustus

N+1
В титане нашли орбитальный эффект Холла В титане нашли орбитальный эффект Холла

Открытие, которое поможет уточнить механизм поведения металлов в магнитном поле

N+1
«Простоквашино», поехали! «Простоквашино», поехали!

Центры власти и стратегии выживания в одной нарисованной российской деревне

Weekend
Альберт Эйнштейн: счастливые годы в Берне Альберт Эйнштейн: счастливые годы в Берне

С каким багажом Эйнштейн приехал в Берн и как он шел к своему «году чудес»

Наука и жизнь
Что такое глютен: мифы и правда Что такое глютен: мифы и правда

Что такое глютен и может ли он причинить вред?

РБК
Магнитная буря: что это и как влияет на здоровье — объясняет врач-терапевт Магнитная буря: что это и как влияет на здоровье — объясняет врач-терапевт

Как и когда возникают магнитные бури? Как они cказываются на нашем здоровье?

Psychologies
Ничто не сравнится с тобой. 5 главных песен Шинейд О’Коннор Ничто не сравнится с тобой. 5 главных песен Шинейд О’Коннор

О чем были главные песни О’Коннор

СНОБ
Что делать, если муж ревнует вас к ребенку: 3 совета от медиатора Что делать, если муж ревнует вас к ребенку: 3 совета от медиатора

Нормально ли, если мужчина ревнует вас к ребенку?

Psychologies
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
Старые вещи: зачем «Мосгорломбард» вновь собрался на IPO Старые вещи: зачем «Мосгорломбард» вновь собрался на IPO

Сеть ломбардов «Мосгорломбард» планирует в IV квартале этого года выйти на биржу

Forbes
Тепленькая пошла: как выбрать водонагреватель для квартиры и дачи Тепленькая пошла: как выбрать водонагреватель для квартиры и дачи

На что стоит обратить внимание при покупке водонагревателя, чтобы не прогадать.

ТехИнсайдер
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
Сценическая машинерия Сценическая машинерия

Легенды автопрома на театральных подмостках

Автопилот
Неуверенный пользователь: как выстроить работу сотрудников с новыми технологиями Неуверенный пользователь: как выстроить работу сотрудников с новыми технологиями

Почему сотрудники не всегда рады новым технологиям?

Forbes
Чтобы осознать власть кофе, надо от него на время отказаться Чтобы осознать власть кофе, надо от него на время отказаться

Как африканское дерево использовало нас для покорения мира

VC.RU
Люди и бюджет: что ждет в будущем гражданские финансы? | People and the Budget: What Does the Future Hold for Civil Finance? Люди и бюджет: что ждет в будущем гражданские финансы? | People and the Budget: What Does the Future Hold for Civil Finance?

Что такое «гражданские финансы»?

Позитивные изменения
Как понять, что вы — манипулятор? Как понять, что вы — манипулятор?

Разбираем, как распознать манипулятивное поведение в себе

Psychologies
Открыть в приложении