Еще несколько лет назад над практической стороной этого вопроса размышляли разве что специалисты в области квантовой физики, но уже сегодня мы стоим на пороге новой технологической революции.
“Параллельный” мир
Идея создания компьютера, работающего по законам микромира, была предложена математиком Ю.И. Маниным в 1980г. Согласно этим законам частица может находиться сразу в двух состояниях (принцип суперпозиции), соответственно и в квантовом компьютере информация будет храниться не в привычных нам битах в виде нуля или единицы, а в кубитах, которые являются и нулем и единицей одновременно. Если обычный двухразрядный регистр может иметь четыре значения: 00, 01, 10 и 11, но только одно из них в определенный момент времени, то двухразрядный кубитовый регистр в такой же момент времени будет иметь все четыре этих значения, т.е. n-разрядный регистр одновременно будет находиться в 2 в степени n возможных состояний. Такой механизм работы называется «квантовый параллелизм», он позволяет не только производить вычисления со скоростью в тысячи раз превышающей скорость самых мощных суперкомпьютеров, но и решать задачи с любым количеством переменных, что современной технике не под силу.
Элементы квантовых компьютеров уже используются на классической приборной базе для повышения эффективности вычислений, правда существующие сегодня модели подобных устройств пока ограничены до 512 кубитов. Несмотря на огромные усилия ученых и инженеров всего мира, полноценный квантовый компьютер по-прежнему остается гипотетическим устройством. Так в чем же проблема? А дело здесь именно все в том же квантовом параллелизме. Поскольку любой результат вычислений будет спрятан в суперпозиции n-разрядного регистра, то при обычном считывании правильный ответ мы получим с вероятностью 1/(2 в степени n). Кроме того при прочтении разрушается и сама суперпозиция, а регистр становится непригодным для дальнейших операций.
Решение проблемы «распараллеливания» результатов квантовых вычислений было предложено американским математиком Питером Шором. В 1994 году он опубликовал работу, где описал первый квантовый алгоритм – алгоритм факторизации (разложения большого числа на множители), операции в котором представлены таким образом, что неправильные ответы взаимоуничтожаются, увеличивая вероятность верного решения. Однако сегодня механизм факторизации лежит в основе самой популярной системы шифрования – RSA, для декодирования которой без ключа традиционному суперкомпьютеру понадобится несколько тысяч лет, но даже самый примитивный квантовый компьютер будет способен щелкать ее как семечки. Получается, что почтовые сервисы, платежная информация и секретные данные организаций беззащитны перед квантовыми технологиям? Таким образом мы определи идеальную область применения квантовых компьютеров – криптография. И если квантовый компьютер существует лишь в теории, то квантовая криптография – реальная, работающая технология.
Квант-шифровки
В основе современной квантовой криптографии лежит все тот же принцип суперпозиции, согласно которому нельзя определить состояние частицы (в данном случае фотона, передаваемого по оптическому волокну) не оказав на нее влияния. Очевидно, что при передаче информации из точки А в точку Б и попытке ее перехвата, Ева (так на сленге хакеров называется взломщик) не сможет остаться незамеченной. Поскольку любое вмешательство в такую систему будет оказывать на нее необратимые изменения, скопировать квантовую информацию становится невозможным, ее можно лишь воспроизвести с точностью близкой к 100%, что, однако, потребует огромного количества ресурсов. Компании MagiQ и IdQuantique предложили рынку эту технологию еще в начале 2000-ых годов, сегодня они уже вышли из стадии стартапов, заняв свою рыночную нишу. Есть правда у этой технологии и один большой недостаток: дистанция передачи данных по такому каналу ограниченна до 80 километров.
Вторая система квантовой криптографии основывается на принципе квантовой сцепленности или, как по-другому его называют, квантовой запутанности. Благодаря этому почти магическому свойству фундаментальных частиц информацию возможно передавать мгновенно и на любые расстояния. Все дело в том, что если оказывается влияние на состояние одной из запутанных частиц, то сцепленная с ней частица приобретает в точности такое же состояние. Используя это свойство, можно построить квантовый повторитель – устройство, состоящее из двух запутанных узлов, в котором есть отправитель информации и ее получатель, но не обнаруживается канал передачи данных, следовательно перехват сообщений становится физически невозможным. Звучит красиво, но только в теории, на практике же создать пару запутанных частиц, используя современные технологии невероятно сложно.
Лишь в 2012 году ученым удалось связать между собой два атома азота в нанокристаллах алмаза, что оказалось одним из самых значимых событий в физике и первым шагом на пути к созданию квантового повторителя.
Итак, идея обоснована, алгоритмы написаны, технологии работают, но на пути квантовой революции все еще лежит много технических проблем. Во-первых, пока не придуман дешевый и компактный способ управления квантовыми состояниями, во-вторых, квантовых состояний вещества можно достичь лишь при температурах близких к абсолютному нулю (чуть ниже -273°С), для чего необходимо надежно изолировать всю систему от воздействий окружающей среды, и это – одна из самых сложных инженерных задач. Как следствие, доступ к устройствам способным производить квантовые вычисления существует только у очень ограниченного числа организаций, среди которых оружейная компания Lockheed Martin, NASA и интернет-гигант Google (в их распоряжении 512-и кубитные компьютеры D-Wave канадской фирмы D-Wave Systems) и нескольких исследовательских институтов и лабораторий по всему миру. Последний фактор, справедливо, вызывал беспокойство ученых университета Бристоля в Великобритании.
«Квантовый компьютер может выполнить некоторые типы расчетов гораздо быстрее обычных компьютеров. Но, как и обычный компьютер, его также необходимо программировать. Несмотря на разработку квантовых алгоритмов и специализированного языка программирования, сейчас в мире имеется лишь малая горстка квалифицированных специалистов, способных на это» – говорит Jeremy O’Brien, специалист в области квантовых вычислений из вышеупомянутого университета.
В целях решения данной проблемы британские ученые создали , подключенный к двухкубитному чипу Qcloud. Эта несложная система разработана для тестирования технологий облачных квантовых вычислений. Вся ее суть сводится к программированию уровня запутанности фотонов, движущихся по специальным светодиодам. Благодаря Qcloud, уже сейчас любой желающий может экспериментировать с базовыми алгоритмами квантовых вычислений.
Подписывайтесь на наш Telegram-канал, чтобы быть в курсе всех новостей и событий Рунета.
