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

Самолет комсомольцев Самолет комсомольцев

Уникальный авиационный проект, созданный комсомольцами и на деньги комсомола

Популярная механика
Пустые холсты, душевные раны и винил. Отрывок из романа «Все, что мы обрели» Элис Келлен Пустые холсты, душевные раны и винил. Отрывок из романа «Все, что мы обрели» Элис Келлен

Глава из книги «Все, что мы обрели»

СНОБ
Дальше ехать некуда Дальше ехать некуда

На противоположной стороне планеты живут 45 человек и птица уэка

Вокруг света
Дрон проехался по земле внутри вращающейся сферической клетки Дрон проехался по земле внутри вращающейся сферической клетки

Гибридный робот, который способен как летать, так и ездить по поверхности

N+1
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
ИИ может ускорить процесс научных открытий и изменить развитие науки ИИ может ускорить процесс научных открытий и изменить развитие науки

ИИ может предсказывать научные открытия

ТехИнсайдер
Долгая счастливая жизнь Долгая счастливая жизнь

Старение – это естественно, но не нормально

Популярная механика
Гранж, наркотики и Курт Кобейн: что нужно знать о Кортни Лав Гранж, наркотики и Курт Кобейн: что нужно знать о Кортни Лав

Многие до сих пор винят ее в смерти Курта

Правила жизни
Редкие земли не долетают до производства Редкие земли не долетают до производства

О важности развития отрасли производства редких и редкоземельных металлов

Монокль
Был или не был? Вот в чём вопрос Был или не был? Вот в чём вопрос

Да кто он такой, этот ваш Шекспир?

Дилетант
Читмил Читмил

Читмил: плюсы и минусы запланированных нарушений диеты

Здоровье
Доктор, это опасно? Почему ананас жжет и разъедает слизистую и язык? Доктор, это опасно? Почему ананас жжет и разъедает слизистую и язык?

Почему ананас жжет? Есть ли способ победить коварный фрукт?

ТехИнсайдер
С этими б/у машинами вы точно намучаетесь. 10 самых проблемных авто С этими б/у машинами вы точно намучаетесь. 10 самых проблемных авто

Какие недорогие иномарки грозят проблемами с ремонтом своим владельцам

РБК
Неочевидное, но вероятное: зачем ехать на выходные в Каргополь Неочевидное, но вероятное: зачем ехать на выходные в Каргополь

Хотите открыть для себя Русский Север — начинайте с Каргополя

Правила жизни
Навстречу теплым берегам Навстречу теплым берегам

Даже на обычной даче можно создать атмосферу Средиземноморья

Лиза
После секса: как на самом деле ведут себя мужчины и женщины — объяснение ученых После секса: как на самом деле ведут себя мужчины и женщины — объяснение ученых

Близость после секса необходима для обоих партнеров

Psychologies
Что делать при наводнении, а чего не делать ни в коем случае Что делать при наводнении, а чего не делать ни в коем случае

Как подготовиться к наводнению

Maxim
Ученые определили пол человека по запаху рук Ученые определили пол человека по запаху рук

Как связаны пол человека и его руки?

N+1
Опознанный бескапотник Опознанный бескапотник

Преимущества «ГАЗ Валдай 8» для соседей по транспортному потоку

Автопилот
Роботы и люди: как производят материнские платы на заводе в Шуе Роботы и люди: как производят материнские платы на заводе в Шуе

Как устроен завод по изготовлению материнских плат

СНОБ
«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
Боевые сёстры братьев Кастро Боевые сёстры братьев Кастро

Кубинские женщины-революционерки прошли и партизанские отряды, и тюрьмы

Дилетант
Как жить легче: учимся у французских скульпторов и психоаналитиков Как жить легче: учимся у французских скульпторов и психоаналитиков

Отрывок из книги «Французское искусство жить не напрягаясь»

Psychologies
Хотела «взбодрить» грудь: жертва пластики Тимура Хайдарова рассказала, как он ее изуродовал Хотела «взбодрить» грудь: жертва пластики Тимура Хайдарова рассказала, как он ее изуродовал

Известный пластический хирург оказался втянут в громкий скандал

VOICE
Рекорды российского футбола: достижения «Зенита» 20-летней давности и серия ЦСКА Рекорды российского футбола: достижения «Зенита» 20-летней давности и серия ЦСКА

Forbes.Спорт рассказывает других командных рекордах российского футбола

Forbes
Жутко громко и запредельно опасно: как шум убивает нас Жутко громко и запредельно опасно: как шум убивает нас

Громкие звуки провоцируют появление хронической бессонницы у людей

ТехИнсайдер
Бегство в одиночество. Как современные подростки строят отношения со сверстниками Бегство в одиночество. Как современные подростки строят отношения со сверстниками

Почему подростки с трудом выстраивают здоровую коммуникацию друг с другом?

СНОБ
Когда ты — не стандарт: 5 простых способов почувствовать себя самой красивой Когда ты — не стандарт: 5 простых способов почувствовать себя самой красивой

Лови формулу, которая поможет тебе раскрыть свою красоту и повысить самооценку!

VOICE
Особенности работы в Дубае: подходы и цифры Особенности работы в Дубае: подходы и цифры

Разбираемся в специфики деловой культуры в Дубае

Правила жизни
Зарегистрированы самые мощные гравитационные волны в истории наблюдений Зарегистрированы самые мощные гравитационные волны в истории наблюдений

Гравитационные волны возвращаются, и они огромны

ТехИнсайдер
Открыть в приложении