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

Колесо Сансары Колесо Сансары

Кем считают себя сами индийцы?

Вокруг света
Визуальная идентичность: как выбрать фирменный цвет для бренда Визуальная идентичность: как выбрать фирменный цвет для бренда

Сара Линч узнала, чему научились компании, взяв за основу фирменный оттенок

Inc.
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
Символ империи: как чай стал причиной войн и самым важным напитком в мире Символ империи: как чай стал причиной войн и самым важным напитком в мире

Как чай влиял на судьбу империй и одновременно становился символом уюта

Forbes
Дальше ехать некуда Дальше ехать некуда

На противоположной стороне планеты живут 45 человек и птица уэка

Вокруг света
Современные «Одиссеи»: пять лучших фильмов в жанре роуд-муви Современные «Одиссеи»: пять лучших фильмов в жанре роуд-муви

Фильмы о кочевниках нового времени, неожиданных попутчиках и отчаянных искателях

Forbes
Немирное «земледелие» Немирное «земледелие»

Как работает система залпового минирования

Популярная механика
Как жить и работать во время менопаузы и как поддержать сотрудниц старше 45 лет Как жить и работать во время менопаузы и как поддержать сотрудниц старше 45 лет

Менопауза и карьера: как климакс мешает женщинам жить и работать

Forbes
Иммунные «электрики» мозга Иммунные «электрики» мозга

Чем нейроны похожи на электрические провода

Наука и жизнь
«Простоквашино», поехали! «Простоквашино», поехали!

Центры власти и стратегии выживания в одной нарисованной российской деревне

Weekend
Кто такие «профессионалы похудения» и почему им сложнее сбросить вес, чем остальным: мнение психолога Кто такие «профессионалы похудения» и почему им сложнее сбросить вес, чем остальным: мнение психолога

Отрывок из книги «Почему я не худею»

VOICE
10 звезд-мужчин, у кого было больше всех половых партнерш 10 звезд-мужчин, у кого было больше всех половых партнерш

Верить рассказам этих секс-гигантов или нет — решайте сами!

Maxim
Галина Киндинова: «Старики МХАТа не воспринимали нас как конкурентов» Галина Киндинова: «Старики МХАТа не воспринимали нас как конкурентов»

О своих педагогах актриса Галина Киндинова рассказала в нашем интервью

Коллекция. Караван историй
Капитальная филантропия: как Благотворительный фонд Потанина стал чемпионом 2022 года Капитальная филантропия: как Благотворительный фонд Потанина стал чемпионом 2022 года

Как фонд Благотворительный фонд Потанина стал независимым от основателя

Forbes
Старые вещи: зачем «Мосгорломбард» вновь собрался на IPO Старые вещи: зачем «Мосгорломбард» вновь собрался на IPO

Сеть ломбардов «Мосгорломбард» планирует в IV квартале этого года выйти на биржу

Forbes
Мама перепутает! 10 двойников звезд, которых не отличишь от оригинала Мама перепутает! 10 двойников звезд, которых не отличишь от оригинала

Некоторые охотно пользуются сходством со звездой

VOICE
Древние люди из Леванта добыли несколько тонн кремня для рубил примерно в 20 километрах от стоянки Древние люди из Леванта добыли несколько тонн кремня для рубил примерно в 20 километрах от стоянки

Исследователи выяснили, где брали сырье обитатели двух ашельских стоянок

N+1
Чистка электричеством Чистка электричеством

Можно ли обеззаразить воду хлорированием, не добавляя ни грамма хлорки?

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
Босиком по росе Босиком по росе

Бегать босиком полезно или вредно?

Здоровье
Альтернативные факты: почему фейк-ньюс существуют и какие люди в них чаще верят Альтернативные факты: почему фейк-ньюс существуют и какие люди в них чаще верят

Отрывок из книги «Новые боги» психолога Кристиана Монтага

Forbes
Сон для красоты: 5 секретов от голливудских сомнологов Сон для красоты: 5 секретов от голливудских сомнологов

Как отправиться в объятия Морфея с максимальной пользой для своей внешности

VOICE
Бессмысленный и беспощадный: пятиминутный путеводитель по бунтам Бессмысленный и беспощадный: пятиминутный путеводитель по бунтам

Несколько бунтов разной степени успешности

Правила жизни
Стыдные привычки, которые нам подарил СССР Стыдные привычки, которые нам подарил СССР

Если вам больше 40 лет, то перечисленные рефлексы вы уже в себе не переборете

Maxim
Выше ниши: как меняются приоритеты компаний на пути к цифровой трансформации Выше ниши: как меняются приоритеты компаний на пути к цифровой трансформации

Цифровая трансформация остается важным элементом развития российских компаний

Forbes
«ПСЖ»: самый несчастный клуб на планете — один из самых богатых. Как деньги убивают амбициозный проект «ПСЖ»: самый несчастный клуб на планете — один из самых богатых. Как деньги убивают амбициозный проект

Что не так с «ПСЖ»

Maxim
Вперед в прошлое: каким получился «Флэш» с Эзрой Миллером Вперед в прошлое: каким получился «Флэш» с Эзрой Миллером

«Флэш» — почему он так сакрально важен для Warner Bros?

Правила жизни
Боуи, Уайнхаус и «битлы»: 10 потрясающий документальных фильмов о музыкантах Боуи, Уайнхаус и «битлы»: 10 потрясающий документальных фильмов о музыкантах

Лучшие примеры работ, в которых столкнулись миры кино и музыки

Правила жизни
Какой домашний вентилятор лучше купить вместо кондиционера Какой домашний вентилятор лучше купить вместо кондиционера

Вы знали, что вентиляторы умеют ароматизировать и даже фильтровать воздух?

CHIP
Что такое массаж сухой щеткой и какой от него эффект Что такое массаж сухой щеткой и какой от него эффект

Есть ли польза от массажа сухой щеткой: все за и против

РБК
Открыть в приложении