Украсти за 60 секунд
Поява квантових комп’ютерів може стати початком нової ери в галузі інформаційних технологій і заразом призвести до краху сучасних систем шифрування.
Ідея створення квантових комп’ютерів з’явилася лише на початку 80-х років і обговорювалася багатьма відомими вченими того часу. Лауреат Нобелівської премії, фізик Річард Фейнман уже тоді припустив, що розвиток квантової механіки дозволить у майбутньому збирати мікроскопічні комп’ютери, що виконуватимуть завдання, які навіть суто теоретично нездійсненні для звичайних комп’ютерів. І йшлося не тільки про те, що обчислювальні пристрої тоді були недостатньо швидкими для того, щоб їх можна було порівнювати із квантовими комп’ютерами. Навіть зараз, тридцять років по тому, коли продуктивність процесорів зросла в кілька разів, нема ніяких передумов думати, що класичні процесори зможуть змагатися із квантовими в розв’язанні багатьох завдань.
Базою для квантових комп’ютерів можуть бути фотони, іони, атоми або електрони, а вся інформація в них кодується за допомогою станів частинок (наприклад значень спіну). Спеціальні зовнішні впливи на частинки дозволяють змінювати їхній стан і в такий спосіб робити розрахунки, аналогічні виконуваним на класичних процесорах. Як уже зрозуміло, у квантовому комп’ютері процесор і пам’ять нероздільні, тобто частинки одночасно зберігають інформацію та обробляють її, змінюючи свій стан під зовнішнім управлінням.
Отже, нові обчислювальні пристрої не вміють робити нічого принципово нового в порівнянні із класичними комп’ютерами, однак можуть виконувати деякі операції набагато швидше. Завдання, непосильні для класичних обчислювальних машин, неможливо розв’язати й на квантових ПК. Серед них, приміром, проблема зупинення, тобто визначення наперед того, чи завершиться коли-небудь виконання конкретного алгоритму із заданими параметрами. У квантових комп’ютерів є також власні обмеження. Обчислення виконуються в них із певною мірою імовірності. Тобто відповідь не завжди буде 100-відсотково правильною. Проте, модифікуючи алгоритми, можна домогтися того, щоб за рахунок додаткових операцій точність обчислень як завгодно близько наближалася до одиниці. При цьому швидкість роботи квантових процесорів як і раніше перевищуватиме швидкість роботи їхніх класичних аналогів.
Одиницею зберігання інформації у квантових комп’ютерах є кубіт. Класичний біт може мати значення «0» або «1» у будь-який конкретний час, тоді як кубіти можуть бути одночасно в стані як «0» або «1», так і суперпозиції нуля й одиниці, тобто ніби в проміжному стані (наприклад на 40% у «0» і на 60% — у «1»). Декілька кубітів додатково можна вводити в заплутаний стан, тобто зв’язувати їх між собою таким чином, щоб дії над одним кубітом миттєво призводили до змін значень в іншому.
Фактично в таких випадках зі зміною одного кубіта відбувається негайне відновлення інших, а отже, комп’ютер, який складається з великої кількості кубітів, являє собою потужну систему паралельних обчислень. За умови, що всі кубіти пов’язані між собою, лише за один такт процесора можна здійснити операції над всіма квантовими комірками пам’яті, у той час як у звичайному комп’ютері те ж саме доведеться робити послідовно. Саме використання квантової сплутаності й пояснює феномен швидкодії квантових комп’ютерів.
Ще на світанку розвитку квантових пристроїв було підраховано, що такий комп’ютер, який складається лише з 300 кубітів, зможе одночасно утворювати більшу кількість станів (2300), ніж існує елементарних частинок у всьому всесвіті, а робити обчислення з усіма цими значеннями можна буде за один такт комп’ютера.
Для аналогії можна навести приклад зі звичайною планкою пам’яті обсягом, наприклад, 4 гігабайти. Класичному комп’ютеру необхідно зчитувати та послідовно обробляти всі біти, що зберігаються в кожній комірці, у той час як квантовий комп’ютер зможе змінити їхній стан «за один хід».
Незважаючи на те, що з асу виникнення ідеї створення квантових комп’ютерів минуло вже три десятки років, їхній розвиток досі не далеко пішов від стадії досліджень. Усі отримані в лабораторних умовах моделі можуть обробляти набагато скромніші масиви даних, ніж треба для того, щоб скласти конкуренцію персональним комп’ютерам. Про побудову обчислювального пристрою, що складається з 300 або більше кубітів, поки навіть мови нема. Найкраще, чого на сучасний момент змогли домогтися вчені, — це створення квантових обчислювальних систем із 10—15 кубітів.
Квантові комп’ютери дозволять зробити прорив в галузях, де застосування класичних процесорів абсолютно безперспективне. Такі відомі алгоритми шифрування, як RSA, уважаються зараз абсолютно надійними, оскільки для їхнього зламу необхідно робити складні операції з розкладання чисел на прості множники. Класичні комп’ютери виконують це завдання дуже повільно й неефективно, і для розв’язання багатьох практичних завдань їм потрібно було б кілька сотень мільярдів років.
Використовуючи спеціально розроблені для квантових комп’ютерів алгоритми, це ж завдання можна виконувати за проміжок часу, порівнянний із часом, потрібним на саме шифрування. Для цього квантовий обчислювальний пристрій обов’язково має складатися з декількох сотень кубітів, інакше його продуктивності буде недостатньо. Як відомо, наразі таких комп’ютерів нема, але коли їх створять, усі сучасні алгоритми кодування даних виявляться непотрібними.
Алгоритм Шора, який у майбутньому дозволить за лічені секунди знаходити прості множники на квантових комп’ютерах, працює не з 100-відсотковою результативністю, оскільки дуже часто можливе існування відразу декількох, правильних із погляду обчислень, варіантів відповіді. Однак після модифікації та перевірки отриманих результатів можна змусити його знаходити єдино правильний варіант і в такий спосіб домогтися 100-відсотково точного результату. Щоб зрозуміти, наскільки ми ще далекі від цього, треба нагадати: 2001 року комп’ютер, що складається лише з 7 кубітів, зміг розкласти число 15 на прості складові (3 і 5). Поки що майбутні «убивці» ПК виглядають саме так.
Квантова фізика, на щастя, здатна не тільки перетворити найсучасніші армійські алгоритми шифрування на іграшку. Натомість вона може запропонувати методи передачі даних, які не можна буде зламати. Якщо в класичному методі шифрування використовуються математичні алгоритми, які лише змінюють до невпізнанності вихідні дані, то у квантовій криптографії самі закони фізики охоронятимуть конфіденційність інформації. Якщо побудувати систему передачі даних, де інформація кодуватиметься за допомогою стану частинок, наприклад фотонів, які переміщаються оптоволоконним каналом, то будь-яка спроба вимірити їхній стан призводитиме до так званого схлопування хвильової функції, унаслідок чого стан системи змінюватиметься. У цьому випадку або вся інформація перетвориться на шум, або вторгнення можна буде визначити за зміненими характеристиками передачі. Так чи інакше, але зловмисник не зможе зчитати інформацію.
На передньому краї
Днями групі вчених із Каліфорнійського університету в Санта-Барбарі (США) удалося створити квантовий комп’ютер, що ґрунтується на архітектурі фон Неймана, тобто — із фізичним відокремленням процесорного модуля від пристроїв зберігання програм і даних. Як уже згадувався, «класичний» квантовий комп’ютер працює за протилежним принципом: у ньому пам’ять і процесор — це, фактично, те саме. Стаття про відкриття вже опублікована в журналі Science, а її препринт доступний на сайті arXiv.org.
Основою для нового квантового комп’ютера стали мініатюрні надпровідні схеми, можливість використання яких у такій ролі було вперше описано в журналі Nature 2008 року. Пристрій складається із двох мікрохвильових резонаторів (вони виконують роль квантової пам’яті), процесора із двох кубітів (надпровідні схеми, з’єднані шиною-резонатором) і модулів для стирання інформації. За допомогою комп’ютера було виконано два алгоритми — квантове перетворення Фур’є та кон’юнкцію за допомогою квантового логічного елемента Тоффолі.
Як повідомляють учені, головна перевага створеної ними системи — можливість легкого масштабування. Іншими словами, нова розробка може стати базовою «цеглинкою» для будівництва масштабніших квантових комп’ютерів.
Як резюмував журнал New Scientist, «раніше найуспішнішими були моделі квантових комп’ютерів, які використовували як кубіти фотони або іони, поміщені в оптичний уловлювач. Сьогодні Маттео Маріантоні з Каліфорнійського університету та його колеги змогли підвищити обчислювальну потужність конкуруючої моделі на надпровідних плівках, уперше продемонстрованої 2003 року». На думку експертів, новітня розробка може дати істотний поштовх розвитку квантових обчислень.
Тим часом
Фізики з Рурського університету в Бохумі (Німеччина) днями зробили відкриття в більш традиційному для квантових комп’ютерів «річищі». Вони обчислили дві квантові точки, зайняті електронами в напівпровіднику, вибрали один електрон і за допомогою звукової хвилі перенесли його в сусідню квантову точку.
В експерименті німецьких учених електрон переміщали на відстань 4 мікрометри, що у двадцять разів більше, ніж у сучасних транзисторах. Окремі електрони переміщалися так: спершу квантова точка міститься між кінчиками чотирьох електродів для формування 0-вимірного об’єкта, який містить кілька сотень електронів. Потім учені спрямовують звукову хвилю уздовж поверхні напівпровідника за допомогою двох електродів і високочастотної напруги.
Довідка «УТГ»
RSA — криптографічний алгоритм із відкритим ключем, використовуваний у великій кількості криптографічних застосунків. На 2009 рік система шифрування на основі RSA вважалася надійною, починаючи з розміру ключа в 1024 біти, оскільки найшвидший алгоритм факторизації — решето узагальненого числового поля — не дозволяє розкласти велике ціле на прості множники за прийнятний час. Можливі сьогодні атаки на RSA, які дозволяють зламати цю систему, не використовують прямого розкладання на добуток простих чисел.
