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

Камотли, он же батат Камотли, он же батат

Батат, сладкий картофель, — многолетняя травянистая лиана из семейства вьюнковых

Наука и жизнь
Космический телескоп Евклид будет искать темную материю Космический телескоп Евклид будет искать темную материю

Миссия Европейского космического агентства Евклид снимет миллиарды галактик

ТехИнсайдер
Масса за горизонтом событий Масса за горизонтом событий

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

Наука и жизнь
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
Вопрос / ответ Вопрос / ответ

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

Вокруг света
Драйвер инноваций: как изменилась интерактивная реклама в интернете Драйвер инноваций: как изменилась интерактивная реклама в интернете

Как меняется интерактивная реклама и создаются технологические тренды?

ТехИнсайдер
Первый, кто признал себя вассалом Батыя Первый, кто признал себя вассалом Батыя

Правда ли, что князь Ярослав Всеволодович был «негодяем из негодяев»

Дилетант
Ароматная тайна Востока: что такое шамама, парфюмерная нота, которую невозможно описать, и в каких духах ее нужно искать Ароматная тайна Востока: что такое шамама, парфюмерная нота, которую невозможно описать, и в каких духах ее нужно искать

Аттара шамама: драгоценное парфюмерное снадобье, ароматное сердце Востока

VOICE
Как кофеин влияет на мозг и тело: неожиданные факты Как кофеин влияет на мозг и тело: неожиданные факты

Исследования выявили ряд интересных фактов, связанных с кофеином

Psychologies
Вечная жизнь: нужно ли людям бессмертие — размышления философа Вечная жизнь: нужно ли людям бессмертие — размышления философа

Вы бы хотели жить вечно? Давайте пофантазируем

Psychologies
Биржевые инвесторы и их классические ошибки Биржевые инвесторы и их классические ошибки

Разные финансовые инструменты: что необходимо учесть потенциальному вкладчику

Inc.
Устал и ухожу: как владельцы и руководители компаний добровольно покидают свои посты Устал и ухожу: как владельцы и руководители компаний добровольно покидают свои посты

С годами отход от дел по болезни стал привычным для бизнеса

Forbes
О чем были песни группы «Звуки Му» О чем были песни группы «Звуки Му»

Чем интересно творчество группы «Звуки Му»

СНОБ
Эффект дорогой женщины: как одеваться, будто ты миллионерша, и не тратить много Эффект дорогой женщины: как одеваться, будто ты миллионерша, и не тратить много

Стилист собрала 8 правил для эффекта "дорогой" женщины

VOICE
Клетчатка Клетчатка

Клетчатка: почему сегодня она переживает свой звёздный час?

Здоровье
На изящном: история картины Роберта Фалька «Старая Руза» На изящном: история картины Роберта Фалька «Старая Руза»

Как создавалась картина импрессиониста Роберта Фалька «Старая Руза»?

Правила жизни
Физические нагрузки не улучшили когнитивный статус у пожилых с коротким сном Физические нагрузки не улучшили когнитивный статус у пожилых с коротким сном

Как связаны сон, физическая активность и когнитивный статус у пожилых людей?

N+1
Бессмысленный и беспощадный: пятиминутный путеводитель по бунтам Бессмысленный и беспощадный: пятиминутный путеводитель по бунтам

Несколько бунтов разной степени успешности

Правила жизни
Когнитивная простота: откуда берется склонность к манипуляциям — интервью психолога Когнитивная простота: откуда берется склонность к манипуляциям — интервью психолога

Кто такие манипуляторы и какие люди становятся их жертвами?

Psychologies
7 секретов гармоничной жизни, которым могут научить бонобо 7 секретов гармоничной жизни, которым могут научить бонобо

Бонобо отличаются своим миролюбием. Все свои проблемы они решают с помощью секса

Psychologies
Как улучшить успеваемость учащихся? Эксперты пришли к простому решению Как улучшить успеваемость учащихся? Эксперты пришли к простому решению

Сильное самосознание и целеустремленность могут повысить итоговые баллы учащихся

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
Биполярное судно Биполярное судно

«Иван Фролов»: самое большое в мире научно-экспедиционное судно ледового класса

ТехИнсайдер
Детское время Детское время

Когда игрушки были металлическими и деревянными

Автопилот
Серебро против бумаги Серебро против бумаги

Как в Российской империи ходили две валюты

Деньги
Полиглот, революционерка, посол Полиглот, революционерка, посол

Александра Коллонтай — женщина-миф русской революции

Дилетант
«Ребенок захлебывался и кашлял»: что такое акушерское насилие и почему оно происходит. Часть 3. Уход за новорожденным «Ребенок захлебывался и кашлял»: что такое акушерское насилие и почему оно происходит. Часть 3. Уход за новорожденным

С чем сталкиваются женщины и их новорожденные дети в роддомах?

Psychologies
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
“У тебя не мои глаза, не мои волосы”: горькая судьба Ари Булоня, всю жизнь доказывавшего, что он сын Алена Делона “У тебя не мои глаза, не мои волосы”: горькая судьба Ари Булоня, всю жизнь доказывавшего, что он сын Алена Делона

Одна из тяжелых страниц биографии Алена Делона: взаимоотношения с Ари Булонем

VOICE
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
Открыть в приложении