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

О чём пишут научно-популярные журналы мира О чём пишут научно-популярные журналы мира

Угроза от соли, раннее изучение иностранного языка и электрические самолеты

Наука и жизнь
Вспоминая Джейн Биркин: какой была жизнь главной музы Сержа Генсбура и иконы стиля XX века Вспоминая Джейн Биркин: какой была жизнь главной музы Сержа Генсбура и иконы стиля XX века

Чем Джейн Биркин запомнилась зрителям и как вошла в историю моды

VOICE
Дальше ехать некуда Дальше ехать некуда

На противоположной стороне планеты живут 45 человек и птица уэка

Вокруг света
Сложно ли зарегистрировать бизнес в Дубае? И еще несколько задач, которые решала команда Wind Rises Сложно ли зарегистрировать бизнес в Дубае? И еще несколько задач, которые решала команда Wind Rises

Команда Wind Rises — о «легкой» регистрации и неработающих скидках

Правила жизни
Вопрос / ответ Вопрос / ответ

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

Вокруг света
Prostor выходит на просторы Prostor выходит на просторы

Лидеры молодой верфи Prostor — об идеях, планах и новой лодке

Y Magazine
Теория равновесия Теория равновесия

Четыре века продолжались поиски Неведомой Южной Земли

Вокруг света
Какая частота обновления экрана нужна обычному пользователю Какая частота обновления экрана нужна обычному пользователю

Зачем смартфонам дисплеи на 90, 120, 144 Гц?

CHIP
«Солнечные космические лучи — моя любовь…» «Солнечные космические лучи — моя любовь…»

Галина Базилевская об исследованиях физики Солнца и космических лучей

Наука и жизнь
Проклятие Проклятие

На съемках "Полтергейста" скончались сразу четыре актера

VOICE
Следствие ведут экстрасенсы Следствие ведут экстрасенсы

«Гипнотик»: Бен Аффлек в долгострое Роберта Родригеса

Weekend
Люди смогут «отращивать» третий набор зубов? Вот чего добились ученые из Японии! Люди смогут «отращивать» третий набор зубов? Вот чего добились ученые из Японии!

Новаторское лекарство, которое сможет позволить людям выращивать новые зубы

ТехИнсайдер
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
5 книг, которые расскажут об истории создания великих изобретений 5 книг, которые расскажут об истории создания великих изобретений

Книги о любознательных изобретателях, которые двигали человечество вперед

СНОБ
5 причин заниматься пилатесом в любом возрасте 5 причин заниматься пилатесом в любом возрасте

Какие бонусы для здоровья пилатес дает в разном возрасте?

Правила жизни
И вечное лето И вечное лето

Как заготовить фрукты, ягоды и овощи на зиму, сохранив максимум витаминов?

Лиза
Голос совести: как Шинейд О’Коннор хватило смелости оставаться самой собой Голос совести: как Шинейд О’Коннор хватило смелости оставаться самой собой

Шинейд О’Коннор — одна из самых противоречивых фигур музыкальной индустрии

Forbes
История одного советского IT-стартапа. Кто придумал тетрис История одного советского IT-стартапа. Кто придумал тетрис

Простую игру, состоящую из «кирпичиков» разной формы, разработали в СССР

СНОБ
В Гималаях нашли капли древнего океана, которым 600 миллионов лет В Гималаях нашли капли древнего океана, которым 600 миллионов лет

Ученые из обнаружили капли воды, запертые в минеральных отложениях 600 млн. лет

ТехИнсайдер
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
Как мозг воспринимает и хранит слова, которые мы слышим. Новое исследование Как мозг воспринимает и хранит слова, которые мы слышим. Новое исследование

Слуховой лексикон мозга расположен в передней части первичной слуховой коры

ТехИнсайдер
Вы чересчур самокритичны? Задайте себе эти 7 вопросов Вы чересчур самокритичны? Задайте себе эти 7 вопросов

Семь вопросов, чтобы понять, почему вы так строги к самому себе

Psychologies
10 фильмов, которые вы будете смотреть затаив дыхание 10 фильмов, которые вы будете смотреть затаив дыхание

Подборка из лучших психологических триллеров с напряженным сюжетом

Maxim
Ботаники переоткрыли пять потерянных видов растений из Перу и Эквадора Ботаники переоткрыли пять потерянных видов растений из Перу и Эквадора

Ботаники переоткрыли в Перу и Эквадоре пять тропических растений из рода Nasa

N+1
«Девушки здесь все такие милые»: литературный триллер про токсичную компанию подруг «Девушки здесь все такие милые»: литературный триллер про токсичную компанию подруг

Отрывок из романа «Девушки здесь все такие милые» — истории о соперничестве

Forbes
Ученые добились непорочного зачатия и девственного рождения у животных, которые размножаются половым путем Ученые добились непорочного зачатия и девственного рождения у животных, которые размножаются половым путем

Исследователи впервые индуцировали девственное рождение у плодовых мушек

ТехИнсайдер
Русские породы собак, которые ценятся во всем мире Русские породы собак, которые ценятся во всем мире

От среднеазиатской овчарки до русского той-терьера: русские породы собак

Maxim
Мария Кровавая: как дочь Екатерины Арагонской боролась за престол и правила Англией Мария Кровавая: как дочь Екатерины Арагонской боролась за престол и правила Англией

Марии Кровавой приходилось долгие годы бороться за трон и за свою жизнь

Forbes
От линейной к циклической: альтернативная модель развития экономики | Linear to Circular: an Alternative Model of Economic Development От линейной к циклической: альтернативная модель развития экономики | Linear to Circular: an Alternative Model of Economic Development

Циклическая экономика может стать альтернативой устаревшей экономической модели

Позитивные изменения
Дальнего следования Дальнего следования

Опыты с гибридом Skywell HT-I

Автопилот
Открыть в приложении