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

Бурлеск Самбурской Бурлеск Самбурской

Актриса, певица, дива, Самбурская, Настасья – все это о ней

Maxim
Тест-драйв китаского люкса: танк во фраке Тест-драйв китаского люкса: танк во фраке

Каким получился TANK 500?

ТехИнсайдер
Дальше ехать некуда Дальше ехать некуда

На противоположной стороне планеты живут 45 человек и птица уэка

Вокруг света
Стесняюсь спросить: опасно ли есть сырую рыбу Стесняюсь спросить: опасно ли есть сырую рыбу

Опасно ли есть сырую рыбу, где это лучше делать и как снизить риск отравления?

Правила жизни
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
Манекен заставили потеть во имя науки Манекен заставили потеть во имя науки

Компания Thermetrics разработала термический манекен ANDI

N+1
Писаная красота Писаная красота

Византийское «наследство» в виде письменности

Дилетант
Вернуть связь. 7 шагов навстречу друг другу Вернуть связь. 7 шагов навстречу друг другу

Каникулы – отличное время, чтобы восстановить связь с ребенком

Новый очаг
Срединная Литва и генерал Желиговский Срединная Литва и генерал Желиговский

В 1920 году Польша замахнулась на свой Эльзас. Но произошло неожиданное событие…

Дилетант
Почему плакать полезно для здоровья: 5 веских причины пустить слезу прямо сейчас Почему плакать полезно для здоровья: 5 веских причины пустить слезу прямо сейчас

Плач может улучшить здоровье, причем как психическое, так и физическое

ТехИнсайдер
Ученые нашли эффективный способ отличать сигналы из глубин космоса от «фонового шума» Земли Ученые нашли эффективный способ отличать сигналы из глубин космоса от «фонового шума» Земли

Новый метод распознавания радиосигналов может значительно сузить поиск

ТехИнсайдер
«Лучше сделать и пожалеть?»: почему мужчины и женщины по-разному переживают о случайном сексе «Лучше сделать и пожалеть?»: почему мужчины и женщины по-разному переживают о случайном сексе

Чем отличаются мужские и женские переживания о сексе?

Psychologies
Ругань, слезы и прессинг «старших»: что делают женщины в российских тюрьмах Ругань, слезы и прессинг «старших»: что делают женщины в российских тюрьмах

Женщины в российских тюрьмах: условия содержания, материнство и «политические»

Forbes
Как сооснователи банка «Точка» строят чат-бот для бизнеса в Великобритании Как сооснователи банка «Точка» строят чат-бот для бизнеса в Великобритании

Борис Дьяконов и Эдуард Пантелеев и их финтехстартап в Великобритании

Forbes
Что такое кушон и как им пользоваться. Советы экспертов Что такое кушон и как им пользоваться. Советы экспертов

Разбираемся, так ли хороши кушоны на самом деле и нужно ли их мыть

РБК
Говорящие книги, пошаговая навигация и виртуальные ассистенты: полезные приложения для незрячих пользователей Говорящие книги, пошаговая навигация и виртуальные ассистенты: полезные приложения для незрячих пользователей

Приложения позволили незрячим стать более независимыми. Вот подборка!

ТехИнсайдер
Как стать уверенной в себе, если твое детство прошло в неблагополучной семье? Как стать уверенной в себе, если твое детство прошло в неблагополучной семье?

Как справиться с неуверенностью в себе?

VOICE
Без денег не останетесь: куда прятать наличные на пляже Без денег не останетесь: куда прятать наличные на пляже

Самые надежные места, куда можно спрятать деньги во время отдыха на море

ТехИнсайдер
Последний путь Шарлотты Корде Последний путь Шарлотты Корде

Как Шарлотта Корде спланировала и осуществила убийство Жана-Поля Марата

Дилетант
10 странных книг, написанных в необычной форме 10 странных книг, написанных в необычной форме

Иногда писатели сознательно ломают форму произведений, чтобы было интереснее

Maxim
Обнаженная натура в советской скульптуре: было всё Обнаженная натура в советской скульптуре: было всё

В СССР скульпторы в скульптуру привносили такое, что глаза не верят

Maxim
Данте и Беатриче Данте и Беатриче

Рассматриваем картину британского художника Генри Холидея «Данте и Беатриче»

Дилетант
Формула любви: как построить идеальный союз — 2 шага Формула любви: как построить идеальный союз — 2 шага

Существует ли совершенное чувство любви?

Psychologies
Мила Ершова: «Я не хочу сниматься в том, что не хочу смотреть сама» Мила Ершова: «Я не хочу сниматься в том, что не хочу смотреть сама»

Если мне что-то по-настоящему нравится, то меня вообще ничего не расстроит

Коллекция. Караван историй
Вытащить с того света, спасти от чумы и принять роды: к чему должен быть готов экипаж воздушного судна Вытащить с того света, спасти от чумы и принять роды: к чему должен быть готов экипаж воздушного судна

Как и чем могут помочь бортпроводники:

ТехИнсайдер
38-летний флегматичный отец двоих детей превратился в агрессора: как это случилось 38-летний флегматичный отец двоих детей превратился в агрессора: как это случилось

Может ли личность человека измениться из-за опухоли?

Psychologies
В новом свете: почему умный дом прирастает за счет ламп и светильников В новом свете: почему умный дом прирастает за счет ламп и светильников

Светильники и лампы — самый простой способ сделать дом интеллектуальным

Forbes
Самцы паутинных клещей содрали кожу с самок Самцы паутинных клещей содрали кожу с самок

Самцы паутинных клещей охраняют самку накануне линьки, чтобы спариться с ней

N+1
Дети, быт и саморазвитие: для чего на самом деле (не) нужны отношения Дети, быт и саморазвитие: для чего на самом деле (не) нужны отношения

Ответьте прямо сейчас на вопрос: «Для чего мне нужны отношения?»

Psychologies
Под Томском нашли бронзовую модель лука и булаву из рога раннего железного века Под Томском нашли бронзовую модель лука и булаву из рога раннего железного века

Результаты раскопок могильника шеломокской культуры

N+1
Открыть в приложении