Принцип работы квантового компьютера
Квантовые технологии компьютера предлагают абсолютно новый подход к работе с данными.
Если в традиционных транзисторных компьютерах все данные упакованы в биты — мельчайшие единицы информации, которые могут иметь только одно из двух значений. Любой бит в случайный момент времени имеет значение либо «0», либо «1», либо «вкл.», либо «выкл.»; как лампочка — либо горит, либо не горит. Любая более сложная информация — текст, музыка, изображение — представляет собой совокупность таких мельчайших единиц, имеющих определенное значение и особым образом скомпонованных. И любая задача — пусть математическая — требует от традиционного компьютера последовательной записи и перезаписи промежуточных вычислений, потому что биты не могут «загораться» одновременно. Это занимает много времени.
Технологии квантовой передачи данных тоже используют биты, только уже не обычные, а квантовые — кубиты.
Их отличие в том, что они не находятся в одном определенном состоянии в определенный момент времени, зато способны находиться сразу во всех возможных состояниях. Попробуйте представить, что лампочка одновременно и горит, и не горит, что подброшенная монета вместо того, чтобы опуститься на «орла» или «решку», встала на ребро, что кот Шредингера, в конце концов, одновременно и жив, и мертв, — и вы получите приблизительное понимание того, что представляют собой кубиты и что такое квантовая система.
Это свойство квантовой механики называется суперпозицией, и оно позволяет решать сложные задачи значительно быстрее — ведь кубиты перебирают решения не по очереди, а одновременно. А работать как единая система им помогает еще одно свойство квантовой механики — квантовая спутанность, которая выполняет для кубитов ту же функцию, что токопроводящие дорожки для битов в обычных компьютерах.
Первый квантовый компьютер содержал всего 1 кубит и был продемонстрирован в 1998 году. В 2000 году производители уже представляли 5–7-кубитные компьютеры, в 2012 количество кубитов достигло 84, в 2017 — 2000.
Для чего нужны квантовые компьютеры
По задумке, они должны пригодиться везде, где необходимо производить сложные вычисления и по возможности не затрачивать на это десятилетия. Вот несколько примеров задач, которые не под силу традиционным компьютерам и суперкомпьютерам, но вполне по зубам квантовым компьютерам.
-
Моделирование природы — химических реакций, лекарств, аккумуляторов, материалов — всего, что создается большим количеством частиц, которые взаимодействуют между собой.
-
Машинное обучение и квантовые нейронные сети.
-
Оптимизация поиска пути/стратегии — логистика, финансы и составление расписаний с увеличением количества переменных требуют все более масштабных расчетов.
-
Криптоанализ алгоритмов с открытым ключом — для таких задач просто не существует классических алгоритмов.
Все задачи вполне реальны и востребованы в бизнесе. И квантовые компьютеры дают надежду на то, что однажды их можно будет решать действительно быстро.
Где можно применять квантовые компьютеры
На самом деле — там же, где и обычные, то есть практически везде.
-
В аэрокосмической отрасли — для сложных расчетов траекторий полетов, маршрутов и нагрузок.
-
В сфере логистики — для экономии за счет оптимизации путей перемещения.
-
В сфере инвестиций — для балансировки рисков и прогнозирования волатильности.
-
В сфере экологии — для теоретических расчетов и создания материалов, которые позволят сократить количество выбросов CO2 и загрязнение пластиком.
-
В технологиях искусственного интеллекта — для того, чтобы математическим моделям мощности вычислений, соразмерные их возможностям.
-
В химии и фармакологии — для синтеза сложных молекул, поиска новых лекарств, моделирования процессов взаимодействия разных веществ. В частности, использование квантовых компьютеров позволит сократить время разработки лекарств в 2–3 раза, которые сейчас создаются в течение 5–10 лет.
-
В сфере криптографии — для более быстрой расшифровки всех возможных вариантов кодирования и создания новых способов шифрования.
Последний пункт все чаще вызывает беспокойство у специалистов по информационной безопасности, и именно на нем мы остановимся подробнее, чтобы понять: действительно ли современные (или будущие) квантовые компьютеры угрожают безопасности конфиденциальной информации в интернете.
Как квантовые компьютеры могут взломать криптокоды
Криптография — это то, что защищает мировые сети и все, что подключено к ним, от компьютеров до систем цифровой идентификации, весь когда-либо созданный контент и все, что будет создано в будущем.
Технологии криптографии на сегодняшний день достаточно совершенны: необходимо сложновообразимое количество времени и энергии для того, чтобы сломать те криптокоды, которые защищают действительно важные вещи.
Но квантовые вычисления, как мы уже выяснили, позволяют решать задачи быстрее и с меньшими затратами энергии. А значит, теоретически, представляют самую серьезную угрозу для цифровой криптографии. Сочетание квантовых свойств и квантовых алгоритмов позволяет квантовым компьютерам взломать многие формы традиционных криптокодов — как минимум потому, что они рассчитаны на относительно «медлительные» современные компьютеры: у защитника просто не остается времени на реакцию, если нападающий действует кратно быстрее.
С развитием квантовых компьютеров в ближайшем будущем могут быть взломаны:
-
алгоритмы цифровой подписи (DSA, PKI);
-
HTTPS/TLS;
-
большинство сетей VPN, которые позволяют скрыть свой IP;
-
модули безопасности оборудования;
-
смарт-карты;
-
сети Wi-Fi;
-
криптовалюты;
-
большинство двухфакторной аутентификации, основанной на цифро-
-
вых сертификатах — например, ключи Fast Identity Online и ключи
-
Google security;
-
классические генераторы случайных чисел.
Одного только протокола HTTPS/TLS в этом списке достаточно для того, чтобы предположить нарушение большей части шифрования в интернете. А присутствие в нем PKI значит, что будет взломана значительная часть криптографии,
связанной с бизнесом.
Уже пора бить тревогу?
Пока нет.
Во-первых, квантовые компьютеры — даже когда достигнут действительно серьезного уровня развития — смогут сломать далеко не все.
Неуязвимыми — по крайней мере в обозримом будущем останутся:
-
симметричные шифры — например AES, которые используются сотовыми телефонами GSM;
-
решетчатые шифры;
-
многомерная криптография;
-
криптография на основе кодов;
-
квантовые генераторы случайных чисел, которые должны прийти на смену тем, которые используются сейчас.
И многие другие, включая шифры для квантовой защиты информации, которые, конечно же, обязательно появятся.
Во-вторых, даже когда квантовые компьютеры станут супермощными и умелыми, и начнут представлять квантовую угрозу, они еще долгое время будут доступны крайне ограниченному кругу лиц — так же, как и любая продвинутая технология. А значит, говорить как минимум о массовых атаках с использованием квантовых компьютеров в масштабах, которые были бы сопоставимы с современными e-mail или телефонными атаками, пока не имеет смысла.
В-третьих, специалисты сферы кибербезопасности уже сейчас готовятся к предполагаемому криптопрорыву — разрабатывают прикладные квантовые технологии для защиты информации и предотвращения массовых утечек персональных данных.
Наконец, пока что до этого еще просто далеко.
В каком состоянии квантовые компьютеры сегодня
Пока мы все еще находимся в промежуточной эре — NISQ (Noisy intermediate-scale quantum era). Буквально — шумной квантовой эре промежуточного масштаба.
-
В современных устройствах сравнительно невелико количество стабильных кубитов. Конечно, для квантовой передачи данных нужно намного меньше кубитов, чем битов — для традионного решения задач. И все же чем их больше, тем более совершенный квантовый компьютер можно получить. К тому же, для точных вычислений подходят только стабильные кубиты — но стабилизировать нечто, что стремится находиться во всех состояниях одновременно, не так легко.
-
Кубиты и операции над ними сейчас все еще работают с ошибками, и их эффект значителен.
-
Наиболее эффективны квантовые компьютеры пока в решении задач, которые моделируют квантовые состояния для демонстрации преимущества над классическими суперкомпьютерами.
По одной из теорий, квантовый прорыв вообще никогда не случится. Часть экспертов считают, что невозможность получить стабильные кубиты в достаточном количестве и другие проблемы крупномасштабных квантовых вычислений непреодолимы. А некоторые даже утверждают, что те квантовые компьютеры, которые у нас уже есть, — на самом деле вовсе не квантовые.
С одной стороны, эти мнения не лишены оснований. С другой — когда-то недоверие вызывали и многие другие, сегодня совершенно обыденные для нас изобретения.
Квантовые компьютеры на нынешнем этапе развития — в большей степени игрушка для ученых, чем потребительские устройства или инструмент взлома. Но это не значит, что они никогда не смогут ими стать.
