IT ExpertМир технологийНаука и техника

Квантовый компьютер: зло или надежда?

Игорь Новиков | 30.05.2017

ВКонтакт Facebook Google Plus Одноклассники Twitter Livejournal Liveinternet Mail.Ru

Квантовый компьютер: зло или надежда?

Современные компьютеры позволяют повысить производительность труда, это не является секретом ни для кого. ИТ открывают новые рабочие места, создают для бизнеса и пользователей новые возможности, стимулируют развитие «цифрового» общества. Но у ИТ есть и обратная сторона: они делают активы компаний и граждан более доступными. Хотя это и положительное свойство, но виртуальные представительства оказываются менее защищенными, чем раньше. В результате киберопасность нарастает.

Несмотря на многочисленные киберугрозы, появившиеся в последнее время, безопасность пользователей в целом оставалась в управляемом состоянии. При должном внимании и наличии необходимого набора программных средств защиты они могли сохранять спокойствие. Новые атаки отражались благодаря своервременным обновлениям, а основу обороны составляли фундаментальные средства криптографической защиты с открытым ключом, которые сохраняли неприступность при любых атаках. Эти средства применяются сегодня везде: от подключения устройств к Интернету до защиты данных при их хранении или передаче.

Однако будущее видится не таким уж безоблачным. Первым о грядущих проблемах заговорил несколько лет назад известный специалист по информационной безопасности Мишель Моска (Michele Mosca). Он высказал прогноз, что фундамент безопасности современных ИТ будет взломан в течение ближайших 10-15 лет, и даже оценил вероятность этого события – 50%. Самым неприятным в этом предсказании является то, что в настоящее время нет противоядия от грядущей опасности, о которой предупредил Моск. Это квантовые компьтеры.

Квантовый компьютер: что за зверь?

В основе всех нынешних компьютеров лежит принцип бинарной записи данных. Любая информация, хранящаяся на дисках или размещаемая в памяти, представляет собой последовательность битов, принимающих одно из возможных значений – 0 или 1, а все расчеты – это последовательности операций над бинарными данными, выстраиваемые в цепочки.

Конечно, существуют и параллельные вычисления, их поддержка присутствует даже внутри процессора. Но бинарный тип вычислений сохраняется и на этом уровне.

В квантовых системах применяется качественно иной принцип. Для расчетов там используются не биты, а кубиты – особые элементы квантового уровня, которые еще называют квантобитами. Они допускают два состояния, обозначаемые как |0> и |1>, которые находятся в суперпозиции друг к другу, то есть зависят одно от другого. Поэтому характеристикой кубита является не отдельное значение (0 или 1), а бесконечное множество одновременно существующих бинарных состояний. Через них открываются двери в полноценные паралелльные вычисления, осуществляемые на одних и тех же ячейках памяти – кубитах.

В чем достоинство кубитов? В 1985 году был опубликован известный тезис Черча-Тюринга-Дойча, который еще называют CTD-принципом (от  Church, Turing, Deutsch). Он гласит, что любой физический процесс может быть эффективно смоделирован на квантовом компьютере. Другими словами, существующая на сегодняшний день модель битовых вычислений способна только аппроксимировать реальные процессы, встречающиеся в природе. Точность зависит от шага аппроксимации. Но с его уменьшением возрастают требования к вычислительной мощности. Поэтому воспроизвести реальные физические процессы с помощью битовых систем крайне сложно, тогда как их природа уже заложена в основы модели квантовых вычислений.

2016 год стал знаменательным для новой технологии. В мае в рамках Quantum Europe Conference был опубликован «Квантовый манифест» (Quantum Manifesto), в котором сформулирована общая стратегия развития Евросоюза в условиях нарастающей «квантовой революции». В рамках этого проекта, оцениваемого в 1 млрд евро, планируется запуск широкой программы научных исследований и инновационных преобразований для создания коммерческих предпосылок с целью практического распространения квантовых систем и полноценного выхода экономики Евросоюза на новый этап цифрового развития.

img

Институт изучения квантовых вычислений при Университете Ватерлоо (Канада)

Аналогичные разработки в области квантовых систем ведутся и на других континентах. Например, почти 20 лет назад в Канаде был открыт исследовательский институт Quantum Valley: здесь планируется выстроить новую «Кремниевую долину» для квантовой эпохи. Подобные подразделения работают также в Австралии, Японии, Сингапуре, Великобритании, США и у нас в России (МФТИ).

Первые ласточки

До недавнего времени развитие квантовых вычислений оставалось в рамках теории, а практическое применение многочисленных разработанных алгоритмов сдерживалось сложностью построения реальных квантовых компьютеров. Причина кроется в том, что вычисления ведутся на квантовом уровне, поэтому им требуются идеальные условия без внешних возмущений, обычно достигаемые при сверхнизких температурах.

Пионером в строительстве квантовых компьютеров стала компания D-Wave Systems. Ее модель D-Wave 2X была представлена в августе 2015 года. Согласно анонсу, вычислительная мощность этой системы превзошла машины классической архитектуры в 600 раз. Созданный квантовый компьютер работал при температуре 15 мК (около -273 °C) и представлял собой систему из 128 тыс. джозефсоновских туннельных переходов.

img

Квантовый компьютер на 2000 кубитов, выпущенный компанией D-Wave Systems

В сентябре 2016 года появилась новая модель D-Wave 2000Q, содержащая 2000 кубитов, в два раза больше, чем у D-Wave 2X. Она же стала и первой коммерческой квантовой системой: компьютер был продан за 15 млн долларов.

Но уже сегодня для многих ясно, что создавать квантовые компьютеры в земных условиях крайне сложно. При этом рядом существует более подходящая среда для их работы – открытый космос. Перелом произошел одновременно. В августе 2016 года с космодрома в Пустыне Гоби стартовала китайская ракета, на борту которой была доставлена в космос первая квантовая платформа. Китай не скрывал своих главных целей в этом проекте: строительство квантового компьютера в космосе и разработка новых криптоалгоритмов.

img

Август 2016 года: запуск с космодрома в пустыне Гоби китайской ракеты с квантовым компьютером

Квантовые компьютер и безопасность

Основой благополучия современного цифрового мира является незыблемость применяемой системы криптографической защиты. Шифрование обеспечивает не только конфиденциальность – этот инструмент активно применятеся для подтверждения достоверности передаваемых данных и идентичности документов (цифровая подпись), посещаемых сайтов (цифровые сертификаты), надежности канала передачи электронной почты и т. д. Но еще в 1994 году американский ученый Питер Шор разработал квантовый алгоритм факторизации. Он не только описывает, как представить любое число через набор простых множителей, но и показывает, как с помощью квантового компьютера, имеющего всего несколько сотен логических кубитов, можно осуществить взлом криптографических систем с открытым ключом.

Путем моделирования удалось выяснить, что если на расшифровку ключа длиной 193 символов, сгенерированного с помощью криптоалгоритма RSA, тратится около 5 месяцев работы кластера из 80 компьютеров с процессорами 2,2 ГГц, то с применением квантового компьютера соразмерной мощности и алгоритма Шора можно осуществить «хак» за 17 секунд.

Непреступность нынешних ИТ-систем пока сохраняется только благордаря тому, что егодняшние модели квантовых компьютеров еще не обладают достаточной мощностью, чтобы реализовать угрозы на практике. Но обратный отсчет уже запущен.

Может, есть решение?

Стойкость и в то же время уязвимость совремненых ключей шифрования задается их разрядностью. Использование ключей большей длины требует роста объема вычислений для их подбора. Но какую бы длину ключа ни выбрать, все равно значение, сгенерированное традиционным компьютером, будет псевдослучайным.

Фундаментальное отличие квантовых вычислений от традиционных состоит в том, что они выстроены на использовании явлений в квантовом мире, где случайность выступает основополагающим признаком. А может быть, защита от угрозы со стороны квантовых систем таится внутри них самих? Неслучайно в списке основных стратегических задач, поставленных в начале 2016 года перед исследователями Агентством национальной безопасности США, значатся масштабные проекты по созданию новых алгоритмов защиты для квантовых вычислений.

Самое интересное впереди.

Журнал IT-Expert № 05/2017    [ PDF ]    [ Подписка на журнал ]

Об авторах

Игорь Новиков

Игорь Новиков

Мероприятия

20.11.2018
Intel® Innovation Day – Осень 2018

Москва, Россия, г.Москва, Новинский бульвар, 8, стр.2 Лотте Отель Москва

20.11.2018
Oracle Cloud Day 2018

Москва, Технопарк «Сколково» Большой бульвар, д. 42, стр.1.

22.11.2018
Передача Audio, Video и KVM по IP: решения, опыт, истории успеха

Казань, пр. Фатыха Амирхана, 1A, комплекс «Казанская Ривьера».