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

Год без лета Год без лета

Извержение вулкана Тамбора в 1815 году стало самым мощным в истории человечества

Вокруг света
Внутренний туризм Внутренний туризм

Петербург — не только гастрономическая, но и туристическая столица России!

Собака.ru
Масса за горизонтом событий Масса за горизонтом событий

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

Наука и жизнь
В тупик и обратно: как жить с «мерцающим любовником» В тупик и обратно: как жить с «мерцающим любовником»

Книга Марии Свешниковой «Жить без тебя» — как рождаются никуда не ведущие романы

Psychologies
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
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
Детский мир Детский мир

Питер Брейгель превратил в детскую площадку целый город

Вокруг света
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
Сценарий, написанный жизнью Сценарий, написанный жизнью

Иной раз жизнь выдаёт такие «коленца», что сценаристам остаётся лишь записывать

Дилетант
Спустя 500 дней в приюте пес обрел семью. Трогательная история Спустя 500 дней в приюте пес обрел семью. Трогательная история

История пса Чарли, которого прозвали "самым одиноким в Британии"

ТехИнсайдер
Хмельной напиток, который пили еще до нашей эры! Какой гений придумал пиво? Хмельной напиток, который пили еще до нашей эры! Какой гений придумал пиво?

Самое время рассказать, как и когда миру открылся легендарный хмельной напиток!

ТехИнсайдер
Человек, который изменил все: 20 лучших ролей Брэда Питта (в порядке возрастания восторга) Человек, который изменил все: 20 лучших ролей Брэда Питта (в порядке возрастания восторга)

Фильмы, в которых Брэд Питт занят самыми разнообразными вещами

Правила жизни
«Ты зануда, а в IT за это платят»: как я за три с половиной месяца стала тестировщиком «Ты зануда, а в IT за это платят»: как я за три с половиной месяца стала тестировщиком

Ольге было 35, когда она решила стать тестировщиком, и вот что из этого вышло

VOICE
Находитесь в позиции жертвы? Задайте себе всего 2 вопроса Находитесь в позиции жертвы? Задайте себе всего 2 вопроса

Все мы порой оказываемся жертвой. Но это не значит, что мы обречены на несчастья

Psychologies
10 неожиданных фактов о главном герое каждого лета – арбузе 10 неожиданных фактов о главном герое каждого лета – арбузе

Арбуз — ягода, фрукт или овощ?

ТехИнсайдер
Евгений Шамов Евгений Шамов

Почему все говорят о Евгении Шамове?

Собака.ru
Что делать, если перещипала брови: 4 лучших выхода из ситуации Что делать, если перещипала брови: 4 лучших выхода из ситуации

Самые надежные и быстрые способы спасти свои брови после неудачной коррекции

VOICE
Математики показали, что аналог GPS может работать на Луне. Ученым помогли идеи, которым уже 800 лет Математики показали, что аналог GPS может работать на Луне. Ученым помогли идеи, которым уже 800 лет

Спутниковой навигации, используемые на Земле, можно перенести на Луну

ТехИнсайдер
«Возмутители спокойствия, цензоры и экзаменаторы»: почему мужчины ненавидят подруг женщин — взгляд психолога «Возмутители спокойствия, цензоры и экзаменаторы»: почему мужчины ненавидят подруг женщин — взгляд психолога

Почему мужчины часто недолюбливают женские посиделки? Чего они боятся?

Psychologies
Опоздала на рейс, потеряла чемодан, дали плохой номер: как решить проблемы в отпуске Опоздала на рейс, потеряла чемодан, дали плохой номер: как решить проблемы в отпуске

Предвидим непредвиденные ситуации в отпуске

VOICE
Стрессовое ожирение Стрессовое ожирение

Почему возникает стрессовое ожирение и что делать

Лиза
«Оставил сердце в Сан-Франциско»: как жил и пел Тони Беннетт «Оставил сердце в Сан-Франциско»: как жил и пел Тони Беннетт

Тони Беннетт успел заработать славу, потерять ее на годы и вернуться в строй

Правила жизни
Нелюбимые дети и патриархат: как в Ясной Поляне переосмысляют «Анну Каренину» Нелюбимые дети и патриархат: как в Ясной Поляне переосмысляют «Анну Каренину»

Как роман «Анна Каренина» пытаются критически переосмыслить сегодня?

Forbes
Футбольный сезон окончен. Как Хантер Томпсон изменил американскую журналистику Футбольный сезон окончен. Как Хантер Томпсон изменил американскую журналистику

Гонзо-журналистика: как писал Хантер Томпсон

СНОБ
«Понюхать грязные подгузники»: 5 безумных психологических экспериментов — радуйтесь, что вы в них не участвовали «Понюхать грязные подгузники»: 5 безумных психологических экспериментов — радуйтесь, что вы в них не участвовали

Психологические эксперименты, в которых подопытных унижают и пугают

Psychologies
Всё сложится Всё сложится

Модель Дарья Попова объясняет, как эталонно собирать чемодан

VOICE
Плюсы, минусы, подводные камни: как тренироваться на улице и не навредить себе Плюсы, минусы, подводные камни: как тренироваться на улице и не навредить себе

Как сделать тренировки на открытом воздухе комфортными и безопасными?

Maxim
«Есть у 90% людей»: 5 признаков того, что на работе вы в детской позиции «Есть у 90% людей»: 5 признаков того, что на работе вы в детской позиции

Как детская позиция мешает увеличить доход?

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
Без кольца и края Без кольца и края

Что делать, если вы прошли вместе через многое, а до загса никак не дойдете

VOICE
Открыть в приложении