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

О чём пишут научно-популярные журналы мира О чём пишут научно-популярные журналы мира

Угроза от соли, раннее изучение иностранного языка и электрические самолеты

Наука и жизнь
Три главных условия для создания гармоничных отношений Три главных условия для создания гармоничных отношений

Когда люди вступают в отношения, они должны учитывать три важных критерия

Psychologies
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
Псилоцибин оказался безопасен и потенциально эффективен при нервной анорексии Псилоцибин оказался безопасен и потенциально эффективен при нервной анорексии

Назначение псилоцибина улучшило состояние пациенток с нервной анорексией

N+1
Дальше ехать некуда Дальше ехать некуда

На противоположной стороне планеты живут 45 человек и птица уэка

Вокруг света
«Возмутители спокойствия, цензоры и экзаменаторы»: почему мужчины ненавидят подруг женщин — взгляд психолога «Возмутители спокойствия, цензоры и экзаменаторы»: почему мужчины ненавидят подруг женщин — взгляд психолога

Почему мужчины часто недолюбливают женские посиделки? Чего они боятся?

Psychologies
Александр Фадеев Александр Фадеев

Мы вспомнили об Александре Фадееве, чьих романов сейчас никто не читает

Дилетант
Встречают по обложке Встречают по обложке

Chelsea Bindery возрождает редкие книги старомодным способом — вручную

Robb Report
«Важнейшее из искусств» «Важнейшее из искусств»

Сталин так проникся кинематографом, что начал править историю страны и мира

Дилетант
Ирина Безрукова о бьюти-секретах, любви, мужской самооценке и работе тифлокомментатором Ирина Безрукова о бьюти-секретах, любви, мужской самооценке и работе тифлокомментатором

Жизнь Ирины Безруковой полна событий

VOICE
Смокинг Шараповой и брюки Надаля: самые запомнившиеся наряды в истории Уимблдона Смокинг Шараповой и брюки Надаля: самые запомнившиеся наряды в истории Уимблдона

Наряды Уимблдонского турнира, которые запомнились или даже вошли в историю

Forbes
За что подростки уважают взрослых За что подростки уважают взрослых

Опрос среди юношей и девушек от 14 до 22 лет: за что можно уважать взрослых

СНОБ
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
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
Как сооснователи банка «Точка» строят чат-бот для бизнеса в Великобритании Как сооснователи банка «Точка» строят чат-бот для бизнеса в Великобритании

Борис Дьяконов и Эдуард Пантелеев и их финтехстартап в Великобритании

Forbes
Как в Фонде борьбы с лейкемией помогают подопечным перезапустить карьеру Как в Фонде борьбы с лейкемией помогают подопечным перезапустить карьеру

Как проект «Самое время жить. Карьера» помогает людям вернуться на рынок труда

Forbes
От влюбленности до паники: как и почему выставки влияют на наше психологическое здоровье От влюбленности до паники: как и почему выставки влияют на наше психологическое здоровье

Музеи — важная часть социокультурного пространства

Psychologies
Только для женщин. В чем причина болезненных месячных Только для женщин. В чем причина болезненных месячных

Дискомфорт во время месячных испытывают многие женщины, но иногда бывает и хуже

Лиза
Ален Эриль: «Я помогаю умереть прежней паре, чтобы родилась новая» — интервью сексолога Ален Эриль: «Я помогаю умереть прежней паре, чтобы родилась новая» — интервью сексолога

Сексолог Ален Эриль — о парах, любви и отношениях

Psychologies
​​Кастер Семеня выиграла суд, самая унизительная история мирового спорта не закончена ​​Кастер Семеня выиграла суд, самая унизительная история мирового спорта не закончена

Самое унизительное и неоднозначное судебное дело в истории мирового спорта

Forbes
«Мне жутко не понравился Эйлат, но потрясло Мертвое море»: Саша Савельева рассказала, почему с мужем переехала в Израиль «Мне жутко не понравился Эйлат, но потрясло Мертвое море»: Саша Савельева рассказала, почему с мужем переехала в Израиль

Певица Саша Савельева заявила, что Мертвое море стало для нее «местом силы»

VOICE
Спящая красавица: как стать моложе за одну ночь — 12 рекомендаций Спящая красавица: как стать моложе за одну ночь — 12 рекомендаций

Как использовать ночное время с максимальной пользой для внешности?

Psychologies
На что похожа жизнь свободного человека и каким бывает детство в Репино На что похожа жизнь свободного человека и каким бывает детство в Репино

Сююмбике Давлет-Кильдеева — о радостях жизни на Финском заливе

РБК
Самый везучий неудачник: история Фране Селака, который 7 раз выживал в катастрофах и сорвал куш в лотерею Самый везучий неудачник: история Фране Селака, который 7 раз выживал в катастрофах и сорвал куш в лотерею

Согласитесь, эта история походит на сюжет какого-то фильма

ТехИнсайдер
Ищите котика Ищите котика

«В поисках снежного барса»: два француза псевдофилософствуют в снегах Тибета

Weekend
Оазис в океане Оазис в океане

В чем причина успеха Benetti Oasis 34M?

Y Magazine
Ольга Ребайн Ольга Ребайн

Основательница компании Jonacor Marine — о задачах яхтенного агентства

Y Magazine
Тонкий вопрос: почему медики и ученые сомневаются в объективности индекса массы тела Тонкий вопрос: почему медики и ученые сомневаются в объективности индекса массы тела

Из рабочего инструмента оценки здоровья ИМТ превратился в орудие фэтшейминга

Forbes
Разработан более дешевый способ обучения Больших языковых моделей Разработан более дешевый способ обучения Больших языковых моделей

Новый способ оптимизации предварительного обучения Больших языковых моделей

ТехИнсайдер
Доктор, это опасно? Почему ананас жжет и разъедает слизистую и язык? Доктор, это опасно? Почему ананас жжет и разъедает слизистую и язык?

Почему ананас жжет? Есть ли способ победить коварный фрукт?

ТехИнсайдер
Открыть в приложении