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

Кунсткамера Кунсткамера

Самый маленький автомобиль в мире, ядовитый сад и запрещенное в США дерево

Наука и жизнь
Комедия «Мое преступление»: как Франсуа Озон нежно высмеивает движение #Metoo Комедия «Мое преступление»: как Франсуа Озон нежно высмеивает движение #Metoo

Какой получилась комедия «Мое преступление» Франсуа Озона

Forbes
От него мы впервые узнали об антропогенном потеплении От него мы впервые узнали об антропогенном потеплении

Михаил Будыко понял, что льды Арктики будут стремительно таять, еще 55 лет назад

Наука
«Ты сама этого хотела!»: как проекции отравляют отношения «Ты сама этого хотела!»: как проекции отравляют отношения

Привычка приписывать другому свои мысли может помешать нам быть счастливыми

Psychologies
Слово о погибели земли русской Слово о погибели земли русской

План общемонгольского Западного похода был утверждён на курултае 1235 года

Дилетант
Как называют полицейских в разных странах и что это значит Как называют полицейских в разных странах и что это значит

Изучаем жаргонные названия полицейских в разных странах

Maxim
Выдра в США терроризирует серферов и ворует их доски. Ее могут усыпить! Выдра в США терроризирует серферов и ворует их доски. Ее могут усыпить!

Морская выдра в США крадет доски у серферов

ТехИнсайдер
Расследование 18-летнего журналиста привело к отставке президента Стэнфорда Расследование 18-летнего журналиста привело к отставке президента Стэнфорда

Возможно, самый молодой лауреат премии Джорджа Полка в истории журналистики

ТехИнсайдер
«У меня здесь полный релакс». Герои «РБК Стиль» — о своей дачной жизни «У меня здесь полный релакс». Герои «РБК Стиль» — о своей дачной жизни

Искусствовед, художник и шеф-повар рассказывают о своих дачах и загородной жизни

РБК
Космический телескоп Евклид будет искать темную материю Космический телескоп Евклид будет искать темную материю

Миссия Европейского космического агентства Евклид снимет миллиарды галактик

ТехИнсайдер
«Плюшевый пузырь»: как фильм о создателе мягких игрушек критикует американскую мечту «Плюшевый пузырь»: как фильм о создателе мягких игрушек критикует американскую мечту

Разбираем драмеди «Плюшевый пузырь» — историю предпринимателя Тая Уорнера

Forbes
5 самых красивых сел и деревень России, которые перенесут в другую эпоху 5 самых красивых сел и деревень России, которые перенесут в другую эпоху

Где в России можно познакомиться с необычными традициями

РБК
Как бизнесмены и миллионеры открывают музеи на Урале Как бизнесмены и миллионеры открывают музеи на Урале

Почему уральские бизнесмены открывают музеи и что привлекает в них публику?

Forbes
О желания до жалости: 5 компонентов любви — мнение философа О желания до жалости: 5 компонентов любви — мнение философа

Из чего состоит чувство любви?

Psychologies
Умер во Франции автор романа «Невыносимая легкость бытия» Милан Кундера Умер во Франции автор романа «Невыносимая легкость бытия» Милан Кундера

Чешский и французский писатель Милан Кундера скончался в возрасте 94 лет

VOICE
Как подобрать купальник по типу фигуры: секреты, которые нужно знать каждой Как подобрать купальник по типу фигуры: секреты, которые нужно знать каждой

Подробный гайд о том, как подобрать купальник под свой тип фигуры

VOICE
Все что нужно знать об искусственном интеллекте! Ликбез и главные факты Все что нужно знать об искусственном интеллекте! Ликбез и главные факты

Главные факты об искусственном интеллекте

ТехИнсайдер
Смысл концовки Смысл концовки

Кристофер Нолан рассказал о своем творческом процессе и фильме «Оппенгеймер»

Правила жизни
«Я хотел показать, как общество может довести человека до безумия» «Я хотел показать, как общество может довести человека до безумия»

Стэнли Кубрик о том, как легко сойти с ума

Weekend
Похожий на цветок розы мягкий манипулятор поможет собрать урожай Похожий на цветок розы мягкий манипулятор поможет собрать урожай

Инженеры из Японии и Вьетнама разработали мягкий манипулятор ROSE

N+1
Дипфейки, репетиторы и запрещенные слова: как Китай планирует регулировать ИИ Дипфейки, репетиторы и запрещенные слова: как Китай планирует регулировать ИИ

Китай одним из первых вводит ограничения для развития ИИ

Forbes
«Мыли позитивно!»: как положительный настрой влияет на течение болезни — интервью врача «Мыли позитивно!»: как положительный настрой влияет на течение болезни — интервью врача

Сохраняя присутствие духа, мы можем ускорить выздоровление

Psychologies
«Парадокс о мандарине»: как безнаказанность влияет на наше поведение «Парадокс о мандарине»: как безнаказанность влияет на наше поведение

Действует ли мораль в условиях безнаказанности?

Forbes
Ученые прочитали белки парантропа — древнего родственника человека, которому 2 миллиона лет Ученые прочитали белки парантропа — древнего родственника человека, которому 2 миллиона лет

Древние белки раскрывают историю человечества

ТехИнсайдер

Почему Томас Андерс и Дитер Болен сцепились не на жизнь, а на смерть?

VOICE
Насколько правдоподобен фильм «Интерстеллар» и что такое теория Большого взрыва: 5 книг об устройстве вселенной Насколько правдоподобен фильм «Интерстеллар» и что такое теория Большого взрыва: 5 книг об устройстве вселенной

Книги, которые помогут вам разобраться с научными концепциями

ТехИнсайдер
Охота на уток Охота на уток

Как чёрная уточка стала новым символом успеха

Robb Report
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
Самые странные и уродливые смартфоны последних 15 лет Самые странные и уродливые смартфоны последних 15 лет

После первого айфона все смартфоны выглядели одинаково? А вот и нет!

Maxim
Парадокс страсти: 15 признаков дисбаланса в отношениях — проверьте свою пару Парадокс страсти: 15 признаков дисбаланса в отношениях — проверьте свою пару

О признаках дисбаланса в отношениях, которые и приводят к парадоксу страсти

Psychologies
Открыть в приложении