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

Бурлеск Самбурской Бурлеск Самбурской

Актриса, певица, дива, Самбурская, Настасья – все это о ней

Maxim
«Ты зануда, а в IT за это платят»: как я за три с половиной месяца стала тестировщиком «Ты зануда, а в IT за это платят»: как я за три с половиной месяца стала тестировщиком

Ольге было 35, когда она решила стать тестировщиком, и вот что из этого вышло

VOICE
Дальше ехать некуда Дальше ехать некуда

На противоположной стороне планеты живут 45 человек и птица уэка

Вокруг света
«Мы — выживальщики»: как представители разных семейных мифов реагируют на кризис — мнение психолога «Мы — выживальщики»: как представители разных семейных мифов реагируют на кризис — мнение психолога

Что такое индивидуальная самоидентификация семьи?

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
Увлеченным мечтой о свободе Увлеченным мечтой о свободе

Что делать с тремя моделями у моря

Автопилот
Критическое масло Критическое масло

Что это за масло, с чем его едят и не ест ли оно нас тем временем само?

Maxim
От линейной к циклической: альтернативная модель развития экономики | Linear to Circular: an Alternative Model of Economic Development От линейной к циклической: альтернативная модель развития экономики | Linear to Circular: an Alternative Model of Economic Development

Циклическая экономика может стать альтернативой устаревшей экономической модели

Позитивные изменения
Дмитрий Нагиев: Дмитрий Нагиев:

У нас твоя карьера от таланта не зависит

Караван историй
Неандертальским следам с пляжа Маталасканьяс оказалось около 151 тысячи лет Неандертальским следам с пляжа Маталасканьяс оказалось около 151 тысячи лет

Группа ученых повторно исследовала отпечатки ног древних людей

N+1
Ответ на глобальные вызовы, или почему будущее за инвестициями в импакт-проекты | The Answer to Global Challenges: Why Investing in Impact Projects is the Future Ответ на глобальные вызовы, или почему будущее за инвестициями в импакт-проекты | The Answer to Global Challenges: Why Investing in Impact Projects is the Future

Глобальные вызовы требуют пересмотра стандартных практик и моделей в инвестициях

Позитивные изменения
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
О чем фильм «Барби»: 5 теорий — версии фанатов О чем фильм «Барби»: 5 теорий — версии фанатов

В чем смысл фильма «Барби»?

Psychologies
Екатерина Копанова: «Идеальная семья – это большая семья!» Екатерина Копанова: «Идеальная семья – это большая семья!»

Екатерина Копанова — о том, как совместить счастливое материнство с работой

Здоровье
Все в школу! Иностранный язык может снизить количество ложных воспоминаний Все в школу! Иностранный язык может снизить количество ложных воспоминаний

Что такое ложные воспоминания и как с ними помогают бороться иностранные языки?

ТехИнсайдер
Найдены гены, связанные с посттравматическим стрессом и депрессией Найдены гены, связанные с посттравматическим стрессом и депрессией

Гены больного мозга работают совершенно не так, как у здорового

ТехИнсайдер
Канаэ Минато: «Признание». Фрагмент из японского детектива Канаэ Минато: «Признание». Фрагмент из японского детектива

Отрывок из одного из самых знаменитых детективов Японии

СНОБ
Солнечный друг Солнечный друг

Почему ты плохо загораешь: 5 серьезных ошибок отпускницы

Лиза
Время красностопа. Винодел Франк Дюсенер — о будущем российского вина Время красностопа. Винодел Франк Дюсенер — о будущем российского вина

Винодел Франк Дюсенер — как изменились российские вина

СНОБ
Аэрогель повысил огнестойкость дрона Аэрогель повысил огнестойкость дрона

Дрон выдерживает температуру в 200 градусов Цельсия с помощью аэрогеля

N+1
Что будет с «автоматом», если придется буксировать автомобиль Что будет с «автоматом», если придется буксировать автомобиль

Почему нельзя буксировать машину с АКП?

Maxim
«Я – смерть, разрушитель миров»: грезы и смыслы Роберта Оппенгеймера «Я – смерть, разрушитель миров»: грезы и смыслы Роберта Оппенгеймера

Предлагаем вспомнить историю выдающегося физика и «отца атомной бомбы»

Правила жизни
«Аббатство Даунтон»: Миллионные вложения, армия поклонников и похвала Елизаветы II «Аббатство Даунтон»: Миллионные вложения, армия поклонников и похвала Елизаветы II

Почему именно «Даунтон» завоевал сердца зрителей? Здесь нет ничего случайного

Караван историй
Душевная пустота: что это и как ее правильно заполнять — 5 шагов Душевная пустота: что это и как ее правильно заполнять — 5 шагов

Откуда берутся апатия и чувство безысходности?

Psychologies
Эффект дорогой женщины: как одеваться, будто ты миллионерша, и не тратить много Эффект дорогой женщины: как одеваться, будто ты миллионерша, и не тратить много

Стилист собрала 8 правил для эффекта "дорогой" женщины

VOICE
«Барби» Греты Гервиг: почему кукле в розовом больше нет места в этом мире «Барби» Греты Гервиг: почему кукле в розовом больше нет места в этом мире

Как режиссеру удалось создать настоящий летний блокбастер

Forbes
Женщина стала пауэрлифтером в 71 год! Счастливая история преображения Женщина стала пауэрлифтером в 71 год! Счастливая история преображения

Она недавно овдовела, чувствовала себя «действительно не в форме»...

ТехИнсайдер
Радость моя, твоя, наша Радость моя, твоя, наша

Поговорка «Кому – арбуз, а кому – свиной хрящик» не лишена смысла

Лиза
7 лайфхаков, чтобы не отравиться грибами 7 лайфхаков, чтобы не отравиться грибами

Правила, которые помогут после ужина с грибами не отправиться в больницу

Maxim
Кровосмешение? История как одни близнецы сыграли свадьбу с парой других! Кровосмешение? История как одни близнецы сыграли свадьбу с парой других!

Свадьбы необычной четы Сальерсов стали известны как «четвертичные браки»

ТехИнсайдер
Открыть в приложении