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

Харакири по всем правилам Харакири по всем правилам

6 марта 1929 года произошло событие, которое взбудоражило всю Москву

Дилетант
Все мы театр Все мы театр

Что происходит с театром сегодня? Рассказывают актеры

Men Today
Дальше ехать некуда Дальше ехать некуда

На противоположной стороне планеты живут 45 человек и птица уэка

Вокруг света
Чем отличается ревность от любовной зависимости Чем отличается ревность от любовной зависимости

Ревность и любовная зависимость: что это за чувства?

Psychologies
Вопрос / ответ Вопрос / ответ

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

Вокруг света
Быть в потоке Быть в потоке

Сейчас в тренде состояние ресурса и потока. Но что это такое?

Лиза
Следы птиц на мокрой глине Следы птиц на мокрой глине

Впервые слово «клинопись» употребил в 1700 году британский востоковед Томас Хайд

Знание – сила
Зарядка для сердца. Чем заниматься и как тренироваться, чтобы «прокачать» главную мышцу Зарядка для сердца. Чем заниматься и как тренироваться, чтобы «прокачать» главную мышцу

Не все виды нагрузок подойдут для сердечно-сосудистой системы

Лиза
Тяжелый легкий бег Тяжелый легкий бег

Как работает организм на марафонских дистанциях

Популярная механика
Одна инъекция белка Клото улучшила память макак Одна инъекция белка Клото улучшила память макак

Ученые из США ввели макакам-резус белок Клото

N+1
За 30 лет число детей с диабетом выросло на 40 процентов За 30 лет число детей с диабетом выросло на 40 процентов

Уровень заболеваемости диабетом увеличился с 9,31 до 11,61 на 100000 населения

N+1
Сила притяжения Сила притяжения

Быть желанной хочет каждая женщина. Но что такое «соблазнительность»?

Лиза
Как вор Стефан Брайтвизер обокрал мировые музеи на $2 млрд и стал любимцем публики Как вор Стефан Брайтвизер обокрал мировые музеи на $2 млрд и стал любимцем публики

Как вор Стефан Братвизер стал героем книги журналиста Майкла Финкеля

Forbes
«Я без процедур красоты никуда»: Татьяна Веденеева в день 70-летия раскрыла личные секреты «Я без процедур красоты никуда»: Татьяна Веденеева в день 70-летия раскрыла личные секреты

Татьяна Веденеева рассказала, что помогает ей оставаться в прекрасной форме

VOICE
Клетчатка Клетчатка

Клетчатка: почему сегодня она переживает свой звёздный час?

Здоровье
Итальянские ароматы Итальянские ароматы

Итальянские травы — что это за приправа?

Наука и жизнь
«Я бы не решилась на такой проект в Москве»: предприниматели — о работе в регионах «Я бы не решилась на такой проект в Москве»: предприниматели — о работе в регионах

К чему готовиться бизнесу за пределами Москвы?

Forbes
Солнечный друг Солнечный друг

Почему ты плохо загораешь: 5 серьезных ошибок отпускницы

Лиза
Что взяли от отца: как выглядят и чем занимаются сыновья рок-идола Мика Джаггера Что взяли от отца: как выглядят и чем занимаются сыновья рок-идола Мика Джаггера

Посмотрите на сыновей Мика Джаггера — похожи на своего знаменитого отца?

VOICE
В мозге есть группа нейронов, которая останавливает любое движение. Даже дыхание В мозге есть группа нейронов, которая останавливает любое движение. Даже дыхание

Ученые нашли группу клеток, активация которых полностью останавливает движение

ТехИнсайдер
Как Дзюнко Табэи первой из женщин покорила Эверест и другие главные вершины Как Дзюнко Табэи первой из женщин покорила Эверест и другие главные вершины

Как альпинистка Дзюнко Табэи разрушила стереотип о роли женщины в Японии

Forbes
Игры разума, в которые играют люди: 7 самых распространенных видов манипуляций Игры разума, в которые играют люди: 7 самых распространенных видов манипуляций

Что нужно знать о манипуляциях?

Psychologies
Таргетная терапия уменьшила краниофарингиомы пациентов на 91 процент Таргетная терапия уменьшила краниофарингиомы пациентов на 91 процент

Исследователи сообщили об успехе II фазы испытаний таргетной терапии

N+1
До встречи в книжном: 7 отличных романов для отпуска До встречи в книжном: 7 отличных романов для отпуска

Добрые, милые, уютные истории, которые заставят переживать, но кончатся хорошо

Psychologies
Девочки из хороших семей Девочки из хороших семей

Комиссарши — сотрудницы советских органов безопасности, лишенные жалости

Дилетант
Что такое глютен: мифы и правда Что такое глютен: мифы и правда

Что такое глютен и может ли он причинить вред?

РБК
Модель ИИ Brain2Music превращает мысли в музыку Модель ИИ Brain2Music превращает мысли в музыку

Разработана модель ИИ, которая восстанавливает музыку, которую слышит человек

ТехИнсайдер
Мнение экспертов: как общение с ИИ изменит людей. Стоит узнать! Мнение экспертов: как общение с ИИ изменит людей. Стоит узнать!

Роботы подпитывают нездоровые привычки в коммуникации среди людей

ТехИнсайдер
«Изобретение прав человека: история» «Изобретение прав человека: история»

Как в обществе менялось восприятие пыток

N+1
Особенности работы в Дубае: подходы и цифры Особенности работы в Дубае: подходы и цифры

Разбираемся в специфики деловой культуры в Дубае

Правила жизни
Открыть в приложении