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

Масса за горизонтом событий Масса за горизонтом событий

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

Наука и жизнь
Почему выпадают Почему выпадают

Почему могут сыпаться свои ресницы и что с этим делать

VOICE
Харакири по всем правилам Харакири по всем правилам

6 марта 1929 года произошло событие, которое взбудоражило всю Москву

Дилетант
«Любовь слепа»: возможны ли счастливые отношения на основе страсти — разбор с психологами «Любовь слепа»: возможны ли счастливые отношения на основе страсти — разбор с психологами

Экстаз, в который мы впадаем, влюбляясь, ведет к трагической развязке. Или нет?

Psychologies
Вопрос / ответ Вопрос / ответ

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

Вокруг света
Не только банкинг: как крупный российский ретейлер дружит с IT и решает нетривиальные задачи посредством технологий Не только банкинг: как крупный российский ретейлер дружит с IT и решает нетривиальные задачи посредством технологий

Как именно ретейлеры используют IT-технологии для решения сложных бизнес-задач

Inc.
Лучший друг Лучший друг

Царь Пётр именовал уроженца Женевы Франца Лефорта лучшим другом

Дилетант
Зарядка для сердца. Чем заниматься и как тренироваться, чтобы «прокачать» главную мышцу Зарядка для сердца. Чем заниматься и как тренироваться, чтобы «прокачать» главную мышцу

Не все виды нагрузок подойдут для сердечно-сосудистой системы

Лиза
Дома без папы Дома без папы

Дарья Мельникова самоизолировалась на страницах MAXIM без масок и одежды

Maxim
Необыкновенное обыкновенное чудо: что люди, пережившие онкологию, думают о любви Необыкновенное обыкновенное чудо: что люди, пережившие онкологию, думают о любви

Глава из книги «Необыкновенное обыкновенное чудо. О Любви»

Forbes
Механический интеллект Механический интеллект

Как наука и искусство докомпьютерной эпохи пытались создать AI

Weekend
Мария Порошина: «Раньше ради съемок проводила по три ночи без сна. Потом поняла — здоровье дороже!» Мария Порошина: «Раньше ради съемок проводила по три ночи без сна. Потом поняла — здоровье дороже!»

«Когда дел так много, иногда ощущаю себя "мамой-осьминожкой"»

Караван историй
Дело тонкое Дело тонкое

Что надо знать российскому бизнесу при выходе на арабский рынок

Деньги
Почему рыба-капля выглядит так странно и смешно: факты Почему рыба-капля выглядит так странно и смешно: факты

Что мы знаем о рыбе-капле?

ТехИнсайдер
Слияние, отдаление, контакт, близость: как пройти 4 стадии дружбы Слияние, отдаление, контакт, близость: как пройти 4 стадии дружбы

Почему мы теряем друзей?

Psychologies
Новая экспедиция «Пангеи» Новая экспедиция «Пангеи»

Майк Хорн отправился в очередную кругосветку, чтобы оценить изменение климата

Y Magazine
От чего зависит уровень гибкости каждого человека? От чего зависит уровень гибкости каждого человека?

Почему один человек может легко сесть на шпагат, а другому для этого нужны годы

ТехИнсайдер
Пляжное тело: почему считается, что право надеть купальник нужно заслужить, — личный опыт и мнение психологов Пляжное тело: почему считается, что право надеть купальник нужно заслужить, — личный опыт и мнение психологов

Почему надеть бикини порой может быть непросто?

Psychologies
Экстрим на всю голову: почему людям так нравятся опасные виды спорта? Экстрим на всю голову: почему людям так нравятся опасные виды спорта?

С чем связана тяга к риску у людей? Им что, жить не хочется?

ТехИнсайдер
Исследование: 95% россиян сталкивались с корпоративным абьюзом Исследование: 95% россиян сталкивались с корпоративным абьюзом

Абьюз на рабочем месте может проявляться по-разному

Forbes
Подготовка к ЭКО: что надо знать каждой женщине об овариальном резерве Подготовка к ЭКО: что надо знать каждой женщине об овариальном резерве

Овариальный резерв: что это такое, как его можно оценить и почему он важен?

Psychologies
Тепловое зрение HADAR рассмотрит текстуру предметов даже ночью Тепловое зрение HADAR рассмотрит текстуру предметов даже ночью

Ученые разработали технологию пассивного теплового зрения HADAR

N+1
«Будьте аккуратнее с диагнозами»: 8 советов психологам-дилетантам, любящим анализировать близких «Будьте аккуратнее с диагнозами»: 8 советов психологам-дилетантам, любящим анализировать близких

Как деликатно и тактично обсуждать чувства и эмоции другого человека?

Psychologies
Настоящее и будущее мировой экономики. Прогноз Михаила Хазина | The Present and Future of the World Economy. Forecast вy Mikhail Khazin Настоящее и будущее мировой экономики. Прогноз Михаила Хазина | The Present and Future of the World Economy. Forecast вy Mikhail Khazin

Обзор ключевых тезисов книги «Воспоминания о будущем» Михаила Хазина

Позитивные изменения
Как правильно определять размер ноги – вы все это время ходили в обуви не вашего размера! Как правильно определять размер ноги – вы все это время ходили в обуви не вашего размера!

Как правильно измерять размер нужной вам обуви

ТехИнсайдер
Верить в бота: как локальное подразделение ММК вышло на внешний рынок Верить в бота: как локальное подразделение ММК вышло на внешний рынок

Взлета RPA можно ожидать на горизонте пяти лет

Forbes
Биография в дырочку Биография в дырочку

«Отец шатунов»: книга о Мамлееве, равная своему герою

Weekend
«Силой воли художника происходит мощная ежесекундная редактура реальности». Интервью Андрея Бартенева и Вовы Перкина «Силой воли художника происходит мощная ежесекундная редактура реальности». Интервью Андрея Бартенева и Вовы Перкина

Художники Вова Перкин и Андрей Бартенев — о социальной ответственности

СНОБ
Ресурс, который надо беречь Ресурс, который надо беречь

Для чего нам нужен белок эластин и как поддержать его баланс?

Здоровье
Родственников не выбирают: как отношения с братьями и сестрами влияют на человека Родственников не выбирают: как отношения с братьями и сестрами влияют на человека

Как наличие сиблингов и внутрисемейные роли связаны с нашим самоощущением

Forbes
Открыть в приложении