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

Нечеловеческий секс Нечеловеческий секс

Почему мы все еще занимаемся сексом по старинке – с живыми людьми?

Популярная механика
Иван Фролухин. Frantsuza Bistrot, С.-Петербург Иван Фролухин. Frantsuza Bistrot, С.-Петербург

Шеф-повар из Duo Band запустил ренессанс французской кухни по всей России

Собака.ru
На пороге квантового превосходства На пороге квантового превосходства

Квантовые компьютеры: чем они отличаются об обычных и какие задачи выполняют?

Наука и жизнь
Как выглядят чародейки в 3 сезоне «Ведьмака»: теперь зрители ненавидят этот сериал Как выглядят чародейки в 3 сезоне «Ведьмака»: теперь зрители ненавидят этот сериал

Почему сериал «Ведьмак» получил сотни негативных отзывов?

VOICE
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
Золото, нефть, брокеры и криминал: 9 фильмов о жажде денег Золото, нефть, брокеры и криминал: 9 фильмов о жажде денег

Фильмы о стремлении к большим деньгам

Inc.
Наука о чужих. Жизнь и разум во Вселенной Наука о чужих. Жизнь и разум во Вселенной

К концу XIX века мало кто сомневался, что ближайшие планеты населены

Наука и жизнь
Американская история преступления: теории заговора об убийстве Джанни Версаче Американская история преступления: теории заговора об убийстве Джанни Версаче

Как погиб Джанни Версаче?

Правила жизни
Загадки прекрасных дам Загадки прекрасных дам

Как и зачем древние люди в разных частях континента начали создавать «венер»

Вокруг света
Химики научились получать фторорганику напрямую из флюорита Химики научились получать фторорганику напрямую из флюорита

Исходник для всех фторсодержащих органических веществ — это минерал флюорит

N+1
Битый отбитого везет Битый отбитого везет

Юэль Киннаман и Николас Кейдж разыгрывают безнадежный сценарий

Weekend
«Ты сама этого хотела!»: как проекции отравляют отношения «Ты сама этого хотела!»: как проекции отравляют отношения

Привычка приписывать другому свои мысли может помешать нам быть счастливыми

Psychologies
Как правильно «собрать урожай» | Harvesting Done Right: Как правильно «собрать урожай» | Harvesting Done Right:

Использование методики Outcome Harvesting в оценке проектов

Позитивные изменения
Виртуальная оперативная память в смартфоне — почему её не стоит использовать Виртуальная оперативная память в смартфоне — почему её не стоит использовать

В чем плюсы и минусы виртуальной оперативной памяти в смартфоне?

CHIP
ФНС разъяснила порядок автоматических списаний налогов с граждан ФНС разъяснила порядок автоматических списаний налогов с граждан

ФНС реализует новый механизм — «проактивный порядок уплаты налогов»

Forbes
Инфернальный кролик, путешествия во времени и предсказания будущего: как  «Донни Дарко» стал культовым Инфернальный кролик, путешествия во времени и предсказания будущего: как  «Донни Дарко» стал культовым

«Донни Дарко»: как Ричарду Келли удалось осуществить свою безумную идею?

Правила жизни
Новый добрый стриптиз Новый добрый стриптиз

«Мужской стриптиз»: те же 25 лет спустя

Weekend
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
Женщина стала пауэрлифтером в 71 год! Счастливая история преображения Женщина стала пауэрлифтером в 71 год! Счастливая история преображения

Она недавно овдовела, чувствовала себя «действительно не в форме»...

ТехИнсайдер
На побережье Британии найдены гигантские каменные топоры возрастом больше 300 000 лет На побережье Британии найдены гигантские каменные топоры возрастом больше 300 000 лет

Один из самых больших ручных топоров, когда-либо обнаруженных в Британии

ТехИнсайдер
Навстречу теплым берегам Навстречу теплым берегам

Даже на обычной даче можно создать атмосферу Средиземноморья

Лиза
Какая частота обновления экрана нужна обычному пользователю Какая частота обновления экрана нужна обычному пользователю

Зачем смартфонам дисплеи на 90, 120, 144 Гц?

CHIP
Опознанный бескапотник Опознанный бескапотник

Преимущества «ГАЗ Валдай 8» для соседей по транспортному потоку

Автопилот
Искусственные клетки с минимальным геномом быстро адаптировались в процессе эволюции Искусственные клетки с минимальным геномом быстро адаптировались в процессе эволюции

Результаты наблюдений за эволюцией клеток с минимальным геномом

N+1
Как вернуться к работе после отдыха и не уволиться в первый день Как вернуться к работе после отдыха и не уволиться в первый день

Почему бывает сложно приняться за работу после отдыха

Правила жизни
«Делирий», глава из бестселлера британского нейробиолога Анила Сета «Быть собой: Новая теория сознания» «Делирий», глава из бестселлера британского нейробиолога Анила Сета «Быть собой: Новая теория сознания»

Профессор нейробиологии Анил Сет приоткрывает окно внутрь нашего сознания

Правила жизни
«Империя законности» «Империя законности»

Юридические перемены и культурное разнообразие в позднеимперской России

N+1
Африке предрекли ведущую роль в загрязнении поверхностных вод к концу этого века Африке предрекли ведущую роль в загрязнении поверхностных вод к концу этого века

Главными загрязнителями поверхностных вод Африки станут страны южнее Сахары

N+1
Дешевеющий рубль спровоцировал рост продаж элитного жилья Дешевеющий рубль спровоцировал рост продаж элитного жилья

Продажи высокобюджетных новостроек Москвы существенно выросли

Forbes
Ученые прочитали белки парантропа — древнего родственника человека, которому 2 миллиона лет Ученые прочитали белки парантропа — древнего родственника человека, которому 2 миллиона лет

Древние белки раскрывают историю человечества

ТехИнсайдер
Открыть в приложении