Коллектив авторов - Квантовый мир. Невероятная теория в самом сердце мироздания

Первые крупномасштабные квантовые компьютеры, скорее всего, буквально такими и будут – крупномасштабными. Вложения в эту область существенно возросли за последние годы, и даже скептики сегодня говорят о крупномасштабных квантовых вычислениях как о неизбежном этапе развития, который, возможно, принесет свои плоды в следующие пять-десять лет. Эти системы, вероятно, будут управлять кубитами с помощью лазеров, и им потребуется сверхохлаждение, так что вряд ли они появятся в наших домах. Но если будущее большей части вычислений – это централизованные удаленные хранилища данных, возможно, эта необходимость не будет сильно мешать.

Когда появится что-то поменьше, следующей проблемой станет запутанность, являющаяся хрупкой драгоценностью и в более благоприятных условиях, поддерживать которую с ростом квантовой системы будет все сложнее и сложнее. Стало бы гораздо проще достичь прогресса в квантовых вычислениях, если бы наша убежденность в критической необходимости и центральном месте в таких вычислениях запутанных состояний оказалась ошибочной. Идея такой возможности появилась в 1998 году с разработкой «однокубитных» алгоритмов. Они могут решать широкий класс задач, включая разложение на множители по алгоритму Шора, и не требуют многих запутанных кубитов. Практическое осуществление такой технологии стало бы удивительно ловким приемом – однако исключительно важный алгоритм поиска по базе данных Гровера на ее основе реализовать невозможно.

Бытует мнение, что хрупкость квантовых систем не позволит нам осуществлять квантовые вычисления в таких крупномасштабных, шумных, теплых и сырых средах, в которых работаем мы, люди. Вопреки этому, надежду на их реализацию нам дают недавние свидетельства того, что живые системы, например фотосинтез у бактерии или аппарат магнитной навигации в сетчатке у птиц, используют некую простую обработку квантовой информации для повышения собственной эффективности (подробнее об этом см. в главе 6).

Если мы сможем раскрыть эти секреты, квантовый компьютер на каждом рабочем столе и на ладони каждой руки больше не покажется таким фантастическим.

Сегодня криптографические системы находятся в довольно неустойчивом состоянии. Безопасность всех наших онлайн-закупок, банковских трансакций и аккаунтов основывается на шатком допущении, что эти конкретные математические операции трудновыполнимы. Наиболее известная из современных шифровальных систем называется алгоритмом RSA. Для шифрования данных она создает ключ из двух очень больших простых чисел. Они держатся в секрете, но их произведение – число длиной в тысячи двоичных цифр – известно всем. Данные могут быть зашифрованы с использованием этого открытого ключа, но расшифровать их можно, только зная его исходные числа. Безопасность RSA основывается на отсутствии известного простого способа найти два начальных числа. Существующие методы представляют собой почти бесконечные процессы, например подбор всех возможных вариантов по очереди.

Во всяком случае, мы на это надеемся. В настоящее время ни один классический компьютер не способен быстро решить эту задачу «в лоб», но все может измениться, особенно если крупномасштабные, по-настоящему квантовые компьютеры будут запущены в работу. Одним из способов дать новую жизнь нашей безопасности является использование квантовой криптографии. Она обещает возможность создания абсолютно случайных и непредсказуемых ключей, которые будут недоступны шпионам.

Квантовая криптография полностью зависит от законов, которые управляют такими частицами, как фотоны или электроны. Их свойства, включая, например, поляризацию, принимают несколько значений одновременно, сворачиваясь в четкую определенность, только когда эти частицы измеряют (см. рис. 5.3). Используйте эти свойства как основу для шифрования, и вы сделаете невозможной любую попытку подсмотреть ваш ключ: это изменит результат измерения, по сути разрушая пломбу, защищающую от воровства.

Рис. 5.3. Непревзойденная защита: как квантовые ключи будут обеспечивать безопасность передачи сообщений.

Имеющиеся системы используют протокол, при котором Алиса, передающая ключ, выпускает поляризованный фотон и проводит над ним измерения перед тем, как его отправить. Ее партнер по переписке Боб выбирает особый способ измерения этого состояния поляризации, а потом вместе с Алисой использует незашифрованный канал для сравнения способов измерений, которые они проделали. За счет этого они создают одну цифру закрытого ключа для использования в шифровании сообщений. Чтобы построить весь ключ, Алиса и Боб просто повторяют процесс.

Методика уже использовалась для защиты клинических данных, финансовых трансакций и результатов голосования на федеральных выборах в Швейцарии. Однако это довольно дорогая технология, так что проблема заключается в разработке дешевого оборудования квантовой коммуникации. Прототип микросхемы передатчика для квантовых коммуникаций уже был разработан в Бристольском университете, и однажды такие устройства могут поместить внутрь вашего Wi-Fi -роутера или мобильного телефона, чтобы ввести безопасные коммуникации в массы.

Питер Шор является профессором прикладной математики в Массачусетском технологическом институте. Его квантовый алгоритм мог бы взломать шифры, которые защищают наши онлайн-данные, – но выполнять его должен достаточно мощный квантовый компьютер. В этом интервью Шор объясняет, почему он разработал алгоритм для квантового компьютера, который мог бы разгадать шифрование наших онлайн-данных.

– Безопасность в Интернете основывается на том, что наши компьютеры не могут взломать его криптографические системы. Но квантовый алгоритм, который Вы разработали, как раз обладает этой возможностью. Почему Вы его создали?

– Моей мотивацией было увидеть, на что способен квантовый компьютер. Более ранний квантовый алгоритм работал, используя периодичность, – тенденцию некоторых числовых последовательностей регулярно повторяться. Это имеет отношение к разложению на множители или поиску среди них чисел поменьше, так что я считал, что квантовые компьютеры способны разлагать большие числа на множители. Поскольку криптосистемы в Интернете опираются на отсутствие у имеющихся компьютеров этой возможности, я представил себе достаточно мощный квантовый компьютер, способный взломать эти системы.