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

Самолет комсомольцев Самолет комсомольцев

Уникальный авиационный проект, созданный комсомольцами и на деньги комсомола

Популярная механика
Климат-контроль: как прогнозирование погоды помогает компаниям стать успешнее Климат-контроль: как прогнозирование погоды помогает компаниям стать успешнее

Как связаны прогнозирование погоды и успех бизнеса?

Forbes
Масса за горизонтом событий Масса за горизонтом событий

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

Наука и жизнь
Миллионы секретных email американских военных по ошибке были отправлены... в Мали Миллионы секретных email американских военных по ошибке были отправлены... в Мали

Как опечатка в имени домена может навредить вооруженным силам США?

ТехИнсайдер
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
Совершенно лишние люди Совершенно лишние люди

«Блажь»: роуд-муви, в котором метафоры побеждают кино

Weekend
Как растения размножаются Как растения размножаются

Почему одни растения плодятся спорами, а другие семенами?

Наука и жизнь
Романтизация OceanGate «вызывала тошноту» у части экспертов, но приводила в восторг клиентов — и они забывали о рисках Романтизация OceanGate «вызывала тошноту» у части экспертов, но приводила в восторг клиентов — и они забывали о рисках

Воспоминания о сооснователе компании Стоктоне Раше OceanGate и «Титане»

VC.RU
Роман о Мишеле Строгоффе Роман о Мишеле Строгоффе

Как Жюль Верн написал признание в любви к России, а Россия его не поняла

Дилетант
Мал да удал: у сенокосцев обнаружили три вида самцов с уникальной стратегией размножения Мал да удал: у сенокосцев обнаружили три вида самцов с уникальной стратегией размножения

У редкого вида паукообразных существует три разных типа самцов

ТехИнсайдер
Как быстро и легко собирать большие пазлы: 6 стратегий Как быстро и легко собирать большие пазлы: 6 стратегий

Собрать пазл из 2000 деталей? Легко!

ТехИнсайдер
«Каракули» из молитвенника Генриха VIII, возможно, указывают на его депрессию «Каракули» из молитвенника Генриха VIII, возможно, указывают на его депрессию

Как Генрих VIII боролся с тревогой и религиозным чувством вины

ТехИнсайдер
«Тайное вторжение»: как новый сериал Marvel возвращает зрителя в мир холодной войны «Тайное вторжение»: как новый сериал Marvel возвращает зрителя в мир холодной войны

Чем примечателен сериал «Тайное вторжение» и почему он вторичен?

Forbes
Избавляемся от последствий прогулки по лесу: 5 рабочих методов, как удалить смолу с одежды Избавляемся от последствий прогулки по лесу: 5 рабочих методов, как удалить смолу с одежды

Как быстро удалить смолу с одежды в домашних условиях?

ТехИнсайдер
Как трудоголизм связан с детскими травмами: 2 личные истории и комментарии психологов Как трудоголизм связан с детскими травмами: 2 личные истории и комментарии психологов

Трудоголики рассказали, с чем столкнулись в детстве и как стали много работать

Psychologies
Мода на седаны Мода на седаны

Как марка Omoda повлияла на любовь к седанам

Автопилот
Отрывок из второго сезона аудиосериала Дарьи Бобылевой «Магазин работает до наступления тьмы» Отрывок из второго сезона аудиосериала Дарьи Бобылевой «Магазин работает до наступления тьмы»

Отрывок из мистического книжного сериала писательницы Дарьи Бобылевой

СНОБ
Объекты масс-культуры: почему растет количество частных театров Объекты масс-культуры: почему растет количество частных театров

Как они живут и за счет чего развиваются частные театры

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
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
«В 90% случаев его можно предотвратить»: как в России работают с проблемой инсультов «В 90% случаев его можно предотвратить»: как в России работают с проблемой инсультов

Директор Фонда борьбы с инсультом: почему главный враг инсульта — время

Forbes
Устал и ухожу: как владельцы и руководители компаний добровольно покидают свои посты Устал и ухожу: как владельцы и руководители компаний добровольно покидают свои посты

С годами отход от дел по болезни стал привычным для бизнеса

Forbes
Ученые доказали Ученые доказали

Почему чиновники и бизнес не могут обойтись без науки

N+1
Как создать надежный пароль, который не взломают хакеры? Как создать надежный пароль, который не взломают хакеры?

Слабый пароль — залог взлома и утечки информации!

Maxim
Роботы на далеких планетах и спутниках будут сами принимать решения Роботы на далеких планетах и спутниках будут сами принимать решения

Роботы смогут самостоятельно принимать решения о том, где и как забирать грунт

ТехИнсайдер
Мыслить иначе: 8 книг для развития неординарного мышления Мыслить иначе: 8 книг для развития неординарного мышления

Книги про то, как мыслить за пределами обыденности

ТехИнсайдер
«Не думайте о бывших»: «эффект белого медведя» — как действительно забыть о завершившихся отношениях «Не думайте о бывших»: «эффект белого медведя» — как действительно забыть о завершившихся отношениях

Пытаясь подавлять мысли, мы оказываемся во власти «эффекта белого медведя»

Psychologies
Почему пассажирам нельзя меняться местами в самолетах? Попробуйте догадаться о причинах Почему пассажирам нельзя меняться местами в самолетах? Попробуйте догадаться о причинах

Почему вы не можете занять другое место в самолете, если оно свободно?

ТехИнсайдер
Hyundai Santa Fe 2024 выйдет с тремя рядами сидений и совершенно новым лицом Hyundai Santa Fe 2024 выйдет с тремя рядами сидений и совершенно новым лицом

Как будет выглядеть знакомый нам плюшевый Santa Fe?

4x4 Club
Почему Том Круз сам делает трюки на съемках? Гайд по безумию актера Почему Том Круз сам делает трюки на съемках? Гайд по безумию актера

Том Круз ломал конечности и мог погибнуть на съемках

Maxim
Открыть в приложении