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

Сам себе живописец Сам себе живописец

Как сделать интерьерное панно, не имея навыков рисования? Есть способ!

Наука и жизнь
Здоровье от природы Здоровье от природы

7 эффективных природных антибиотиков

Лиза
Вести из лабораторий Вести из лабораторий

Биосенсор из спирулины и космическая фотосессия Луны с наноспутника ДЗЗ

Наука и жизнь
5 главных книг о Владимире Набокове, которые помогут лучше его понять 5 главных книг о Владимире Набокове, которые помогут лучше его понять

Пять главных книг, которые можно прочитать о Набокове

Правила жизни
Чьим голосом вы говорите с собой? Чьим голосом вы говорите с собой?

Тест: как часто вы точно понимаете, чего на самом деле хотите

Psychologies
Почему брак трещит по швам: 7 идей из книги «Как найти любовь, которую стоит сохранить» Почему брак трещит по швам: 7 идей из книги «Как найти любовь, которую стоит сохранить»

Почему счастливый брак может стать пыткой для вас?

Psychologies
ТОП-10 самых горячих мест на Земле. В этих городах все еще живут люди! ТОП-10 самых горячих мест на Земле. В этих городах все еще живут люди!

Самые жаркие точки планеты: температура там поднимается выше 50°C

ТехИнсайдер
Человек, который изменил все: 20 лучших ролей Брэда Питта (в порядке возрастания восторга) Человек, который изменил все: 20 лучших ролей Брэда Питта (в порядке возрастания восторга)

Фильмы, в которых Брэд Питт занят самыми разнообразными вещами

Правила жизни
Люди услышали тишину Люди услышали тишину

Как именно люди воспринимают тишину?

N+1
Связанные одной нитью: как женщина за ткацким станком помогла построить цивилизацию Связанные одной нитью: как женщина за ткацким станком помогла построить цивилизацию

Отрывок из книги «Нить истории» о том, как прялка и веретено повлияли на людей

Forbes
Как часто нужно созваниваться взрослым детям и родителям: мнение представителей разных поколений Как часто нужно созваниваться взрослым детям и родителям: мнение представителей разных поколений

Как часто и в какой форме лучше поддерживать контакт с родителями?

Psychologies
Идеальный рацион: 3 заповеди здорового питания — советы диетолога Идеальный рацион: 3 заповеди здорового питания — советы диетолога

Как превратить диету в здоровый и полезный рацион? Рассказывает диетолог

Psychologies
«Кенгуру с карманом, набитым деньгами»: история румына с зарплатой в $10, который 14 раз законно выиграл в лотерею «Кенгуру с карманом, набитым деньгами»: история румына с зарплатой в $10, который 14 раз законно выиграл в лотерею

Математика или обман: история Стефана Манделя и его побед в лотереях

VC.RU
От театрофона до AirPods: как появились первые наушники От театрофона до AirPods: как появились первые наушники

Когда-то люди платили, чтобы успеть поймать отрывок из оперы...

ТехИнсайдер
Как диснеевские принцессы влияют на психику детей: 4 мультфильма глазами психологов Как диснеевские принцессы влияют на психику детей: 4 мультфильма глазами психологов

От чего зависит то, какое влияние окажет на ребенка мультфильм?

Psychologies
Усадьбы, пляжи и дома творчества: идеи для отдыха в Москве и Подмосковье Усадьбы, пляжи и дома творчества: идеи для отдыха в Москве и Подмосковье

Что можно увидеть на маршрутах нового проекта «Москва + Подмосковье»

СНОБ
Шахматист Ян Непомнящий: Выигрывать мне нравится больше, чем играть Шахматист Ян Непомнящий: Выигрывать мне нравится больше, чем играть

Сильнейший гроссмейстер планеты — о своем профессиональном пути

СНОБ
«Муж на первом месте»: Михаил Галустян объяснил, почему запретил работать русской жене «Муж на первом месте»: Михаил Галустян объяснил, почему запретил работать русской жене

Михаил Галустян объяснил, почему его супруга не должна работать

VOICE
Многое теряют Многое теряют

Насколько безопасны новые инъекции для похудения?

VOICE
Вдыхание чистого кислорода ускорило двигательную реакцию здоровых людей Вдыхание чистого кислорода ускорило двигательную реакцию здоровых людей

Вдыхание стопроцентного кислорода улучшает моторное обучение человека

N+1
Икона скама: что происходит в бренде ÖMANKÖ и почему его покинул Артем Ермилов Икона скама: что происходит в бренде ÖMANKÖ и почему его покинул Артем Ермилов

Разбираемся, что происходит с популярным сообществом ÖMANKÖ

Правила жизни
Инвестиции в искусственный интеллект: бум или скам Инвестиции в искусственный интеллект: бум или скам

Формируется ли пузырь ИИ?

Forbes
Снимите это немедленно! 5 историй людей, у которых изменилась жизнь после разбора гардероба со стилистом Снимите это немедленно! 5 историй людей, у которых изменилась жизнь после разбора гардероба со стилистом

Разбор гардероба со стилистом – ну разве не мечта?

Лиза
В океане живут бессмертные существа, которые могли видеть динозавров В океане живут бессмертные существа, которые могли видеть динозавров

«Бессмертная медуза» названа так потому, что теоретически она может жить вечно

ТехИнсайдер
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
Генерал Франко и его мятеж Генерал Франко и его мятеж

На марке Испанского Марокко всего лишь скромная надпечатка: 18 июля 1936 года

Дилетант
Что поможет ребенку пережить смерть родителя: 6 факторов Что поможет ребенку пережить смерть родителя: 6 факторов

Как помочь ребенку пережить утрату?

Psychologies
«У снобов имеется некий душевный надрыв». Отрывок из книги о Марселе Прусте и его главном романе «У снобов имеется некий душевный надрыв». Отрывок из книги о Марселе Прусте и его главном романе

Как Марсель Пруст критиковал светское общество

СНОБ
О чем были песни группы «Звуки Му» О чем были песни группы «Звуки Му»

Чем интересно творчество группы «Звуки Му»

СНОБ
Инструкция ПЖ: как релоцировать российских сотрудников с минимальными потерями Инструкция ПЖ: как релоцировать российских сотрудников с минимальными потерями

Как релоцировать сотрудников, чтобы они не чувствовали себя потерянными

Правила жизни
Открыть в приложении