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

На пороге квантового превосходства На пороге квантового превосходства

Квантовые компьютеры: чем они отличаются об обычных и какие задачи выполняют?

Наука и жизнь
«Мы были выше бога, который сотворил нас». Отрывок из книги об Адаме и Еве «Мы были выше бога, который сотворил нас». Отрывок из книги об Адаме и Еве

«Взлет и падение Адама и Евы»: отрывок из книги Стивена Гринблатта

СНОБ
Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018» Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018»

Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018»

Playboy
Проклятие Проклятие

На съемках "Полтергейста" скончались сразу четыре актера

VOICE
Вопрос / ответ Вопрос / ответ

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

Вокруг света
Футбольный сезон окончен. Как Хантер Томпсон изменил американскую журналистику Футбольный сезон окончен. Как Хантер Томпсон изменил американскую журналистику

Гонзо-журналистика: как писал Хантер Томпсон

СНОБ
Мобилизация-1914: эмоции россиян Мобилизация-1914: эмоции россиян

Кто определяет «национальные интересы»?

Дилетант
Владимир Басов. Человек-праздник Владимир Басов. Человек-праздник

Басов снялся в десятках ролей, даже самые маленькие до сих пор любимы зрителями

Коллекция. Караван историй
Норманны vs славяне. 300-летняя война Норманны vs славяне. 300-летняя война

Кого призвали старейшины: братьев-славян или братьев-варягов?

Дилетант
Почему Мировой океан меняет свой цвет: зеленые воды Почему Мировой океан меняет свой цвет: зеленые воды

Почему так важен цвет океана и почему он меняется?

ТехИнсайдер
Как владелец стекольной империи в городе Гусь-Хрустальный построил Пушкинский музей Как владелец стекольной империи в городе Гусь-Хрустальный построил Пушкинский музей

Как возникла и развивалась династия предпринимателей и меценатов Мальцовых

Forbes
Здоровье от природы Здоровье от природы

7 эффективных природных антибиотиков

Лиза
Необъяснимые загадки молний: почему нельзя звонить в грозу и как электричество срывает с людей одежду Необъяснимые загадки молний: почему нельзя звонить в грозу и как электричество срывает с людей одежду

Молния — физическое явление, способное вытворять очень странные штуки

Maxim
Она улетела Она улетела

Ракета «Ариан-5» ушла на покой

N+1
«Все заменить невозможно»: дефицит каких ветеринарных препаратов ожидает Россию «Все заменить невозможно»: дефицит каких ветеринарных препаратов ожидает Россию

На рынке препаратов для домашних животных ситуация действительно напряженная

Forbes
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
В фокусе В фокусе

Проекты ISRO – один из крупнейших экспортных контрактов Криогенмаша

Прогресс
Ругань, слезы и прессинг «старших»: что делают женщины в российских тюрьмах Ругань, слезы и прессинг «старших»: что делают женщины в российских тюрьмах

Женщины в российских тюрьмах: условия содержания, материнство и «политические»

Forbes
Люди услышали тишину Люди услышали тишину

Как именно люди воспринимают тишину?

N+1
Встречают по обложке Встречают по обложке

Chelsea Bindery возрождает редкие книги старомодным способом — вручную

Robb Report
Ляг и лежи Ляг и лежи

5 причин, почему валяться на диване полезно для здоровья

Лиза
7 секретов красивой груди 7 секретов красивой груди

Как сохранить грудь упругой и подтянутой, независимо от формы и размера?

Здоровье
Солнечный друг Солнечный друг

Почему ты плохо загораешь: 5 серьезных ошибок отпускницы

Лиза
«Основано на реальных событиях»: сатира на болезненный интерес к серийным убийствам «Основано на реальных событиях»: сатира на болезненный интерес к серийным убийствам

«Основано на реальных событиях» — история о браке, который спасает подкаст

Forbes
5 увлекательных книг о культуре разных народов 5 увлекательных книг о культуре разных народов

Пять книг, которые рассказывают о культуре разных стран

СНОБ
Пора валить Пора валить

Не все супергерои носят плащи

Дилетант
Как научиться слышать себя: 2 легких, но эффективных упражнения Как научиться слышать себя: 2 легких, но эффективных упражнения

Как часто в течение дня мы обращаем внимание на то, что чувствуем?

Psychologies
Всему свой сезон: в какое время года лучше искать работу Всему свой сезон: в какое время года лучше искать работу

Когда лучше всего искать работу?

ТехИнсайдер
Чат-бот объяснил, как избежать ошибок при настройке тормозов велосипеда Чат-бот объяснил, как избежать ошибок при настройке тормозов велосипеда

Кто даёт более полезные советы – живой мастер на Youtube или чат-бот You.com?

ТехИнсайдер
«Нет слова, чтобы назвать все, что я чувствовала»: Шэрон Стоун о травме свидетеля «Нет слова, чтобы назвать все, что я чувствовала»: Шэрон Стоун о травме свидетеля

Отрывок из автобиографии Шэрон Стоун «Красота жизни, прожитой дважды»

Forbes
Открыть в приложении